ACAO 加入量对铁沟浇注料性能的影响

2021-01-07李彩霞李德民王义龙涂军波张宏进

工业炉 2020年6期

李彩霞，李德民，，杨强，王义龙，涂军波，张宏进

（1.唐山市国亮特殊耐火材料有限公司河北省钢铁冶炼用耐火材料技术创新中心河北省企业技术中心，河北唐山063000；2 华北理工大学河北省无机非金属材料重点实验室，河北唐山063000）

在高炉用ASC 浇注料中加入碳是为了增强抗铁水、熔渣的熔蚀和侵蚀性，减少材料的结构剥落和开裂，一旦碳素遭到氧化，铁沟料就很容易被铁水侵润，气孔率显著提高，导致铁水、熔渣渗入沟料，被氧化后的铁沟料熔损速率会显著增加。为了改善铁沟浇注料的抗氧化性能，除了可以提高浇注料的致密度、减少气孔外，还需要采用抗氧化剂来阻止碳的氧化。

因此，引入好的抗氧化剂来增强浇注料的抗氧化性能是本文的重点研究内容。 ACAO 作为一种新型的抗侵蚀抗氧化剂在陶瓷材料及刚玉材料中得到应用与研究，并取得较好效果，但在ASC 铁沟浇注料中研究较少，为此，研究了ACAO 加入量对Al2O3-SiC-C 铁沟浇注料性能的影响[1-11]。

1 试验

1.1 原料

试验原料有：电熔棕刚玉、白刚玉、97 碳化硅、硅微粉（粒度分析D50＜1.5 μm）、球沥青（软化点约为110 ℃）、高铝水泥、98 金属硅粉（w（Si）=98%）、活性Al2O3微粉（粒度分析D50＜2 μm）、ACAO 细粉（粒度3.5 μm）及六偏磷酸钠，其主要原料化学组成见表1。

表1 主要原料化学组成（w%）

1.2 试样制备

以棕刚玉、白刚玉为骨料，以白刚玉、碳化硅、氧化铝等为基质，以水泥为结合剂，逐渐增加ACAO 含量，分别按质量分数为0、0.5%、1%、1.5%、2%，差值用刚玉粉补足，制备成浇注料试样分别标记为1#、2#、3#、4#、5#，具体试样配比见表2。

表2 配方主要原料组成（w%）

将配好的物料干混60 s，加入适量的水后再湿混120 s。将物料搅拌均匀，在振动台上振动成型,制得尺寸为40 mm×40 mm×160 mm 的长条试样，经过常温带模养护24 h 后，脱模，之后在110 ℃恒温烘箱中干燥24 h，然后分别在空气气氛下加热到1 000℃和1 500 ℃，并保温3 h 烧成，然后随炉自然冷却到室温。

1.3 性能检测

采用TZ-345 型胶砂流动度测定仪测定浇注料的振动流动度（30 s 振动25 次），按照GB/T 5072-2008、GB/T 2997-2000 检测干燥后和烧成后试样的体积密度和显气孔率，按照YB/T 5201-1993 检测干燥后和烧成后试样的耐压强度，按照GB/T 3002-1982 检测试样的高温抗折强度（空气气氛，1 500 ℃保温1 h）。按照GB/T 3001-2007 测量试样烧成前后尺寸变化，计算烧后线变化率。用德国蔡司扫描电镜EVO18 观察其试样高温抗折断口显微结构。

2 实验结果分析与讨论

2.1 ACAO 加入量对浇注料体积密度和显气孔率的影响

不同温度热处理后试样的体积密度和显气孔率随ACAO 加入量的变化如图1 所示。

可以看出，浇注料在经过110 ℃保温24 h 后，显气孔率随着ACAO 的增加而增大，体积密度逐渐减小。这是由于随着ACAO 加入量的增加，加水量增加，流动性变差，试样打结烘干后留下的气孔较多，气孔率增加，同时也会使试样体积密度降低。

试样经1 000 ℃保温3 h、1 500 ℃保温3 h 处理后，试样显气孔率都先减小后增大，体积密度先增大后减小。这是因为，在中高温处理过程中，随着碳素的挥发及水分的进一步散失，显气孔率高，体密小，但加入ACAO 后，ACAO 属于微米级别，在基质中分散后，会发生反应形成氧化膜覆盖于基体表面，包裹住碳素材料，阻止其氧化，同时液相会填充气孔，使气孔率降低，结构致密，并促进试样烧结，使得试样的体积密度增大。但伴随着ACAO 的进一步增加，加水量显著提高，使得因水分挥发产生气孔的效应占主导，因此气孔率会提高，体积密度降低。

图1 含不同含量ACAO 试样的显气孔率和体积密度变化图

2.2 ACAO 加入量对浇注料常温耐压强度的影响

不同温度热处理后试样的常温耐压强度随ACAO 加入量的变化如图2 所示。

可以看出，随着ACAO 加入量的增加，110 ℃干燥后试样的常温耐压强度逐渐降低，主要因加水量增大导致。 1 000 ℃和1 500 ℃烧后试样的常温耐压强度均呈现先增加后减小的变化趋势，并且均在ACAO 加入量为1%时达到了最优，原因分析主要是因为ACAO 属于微米级微粉，促进制品烧结，在温度升高过程中，ACAO 在400 ℃以上发生分解反应，分解后的产物会与O2反应生成氧化膜，有效地阻止碳素的氧化，防止坯体疏松，保持坯体烧结后的致密度，导致中高温强度增大，但随着ACAO 的加入量增加，加水量急剧上升，导致1 000 ℃和1 500 ℃烧后试样的强度又会降低。

图2 含不同含量ACAO 试样的冷态耐压强度变化图

2.3 ACAO 加入量对浇注料不同温度处理后线变化率的影响

1 000 ℃和1 500 ℃烧后试样线变化率随ACAO加入量的变化如图3 所示。

图3 含不同含量ACAO 试样的烧后线变化率变化图

可以看出，经过1 000 ℃保温3 h 及经过1 500℃保温3 h 烧后，线变化率均为正值；随ACAO 加入量的增大，线变化率逐渐增大。这是因为ACAO 反生分解反应产生碳及碳化硅；C 与引入的金属Si 在800～1 200 ℃反应生成SiC（初晶）并产生一定的膨胀；随ACAO 的增加，中温抗氧化作用越来越明显，使得试样中保留更多的碳素，线变化率增大，同时高温下的莫来石化反应也会使试样体积膨胀，因此，试样烧后的线变化率均为正值，且逐渐增大。

2.4 ACAO 加入量对浇注料高温抗折强度的影响

高温抗折强度随ACAO 加入量的变化如图4 所示。可以看出，随着ACAO 加入量的增加，1 500 ℃试样的高温抗折强度呈先增大后减小的趋势，这是由于在热处理过程中ACAO 会发生如下反应：ACAO→X+C+SiC，X+O2→XO，C+O2→CO，SiC+O2→SiO2+C，ACAO 的分解产物与O2反应生成保护层，覆盖在材料表面，阻止O2进入材料内部，抑制碳的氧化，使坯体致密气孔少，防止材料内部结构疏松对高温抗折有利，剩余的碳与硅粉反应生成大量β-SiC 晶须。β-SiC晶须的形成，对高温抗折的提高也有积极作用。但当ACAO 加入量超过1%时，试样需水量显著增大，坯体结构疏松，反而对高温抗折产生不利影响。 ACAO 的引入量对试样经1 500 ℃烧后的显微结构影响如图5所示。

图4 含不同含量ACAO 试样的高温抗折强度变化图

2.5 ACAO 加入量对试样抗氧化性能的影响

经1 500 ℃保温3 h 热处理后试样断面（40 mm×40 mm）的表观形貌如图6 所示。

可以看出，脱碳层随着ACAO 加入量的增加而逐渐减小，这是因为ACAO 会在400 ℃反生分解反应，生成产物与氧气有较大的接触面积，会大量的消耗氧气，生成液相，包裹住碳素材料，阻止氧气进入试样内部，对碳素的氧化起到抑制作用。但当ACAO加入量超过1%时，试样需水量增大，结合性能下降，中高温强度相应下降，线变化率显著增加，且抗氧化性变化不明显。说明ACAO 在ASC 铁沟浇注料中最佳加入量为1%。