莫来石种类对脱硫喷枪用浇注料性能的影响

2021-08-16彭德江

工业炉 2021年3期

李超，陈煜，彭德江，李强，李华

（焦作金鑫恒拓新材料股份有限公司，河南焦作 454450）

铁水喷吹脱硫预处理是提高铁水质量、增加钢材品种的重要工艺手段，脱硫喷枪是铁水喷吹预处理设备的重要组成部分。脱硫喷枪主要由中间的枪芯和枪芯上覆盖的耐火浇注料组成，耐火浇注料主要是莫来石质浇注料。莫来石质浇注料优良的热震稳定性正是脱硫喷枪用耐火材料所需要的，莫来石质浇注料以莫来石为主原料，以纯铝酸钙水泥为结合剂，添加适量的Al2O3微粉和SiO2微粉增强基质，添加适量的红柱石进一步增强热震稳定性，并且在生产过程中添加适量的有机纤维和钢纤维，进一步增强其使用性能。

莫来石在自然界很罕见，因此工业用莫来石一般采用人工合成的方法获得。莫来石的合成工艺途径有两种，即电熔法合成和烧结法合成；又因采用原料种类不同，分为氧化铝基合成莫来石和矾土基合成莫来石。本文选用公司A的FM70电熔莫来石、公司B的SM70-1高纯烧结莫来石和公司C的SM70-2普通烧结莫来石，研究莫来石种类对脱硫喷枪用浇注料性能的影响。

1 试验

1.1 原料

试验原料化学成分见表1，三种莫来石的莫来石相含量见表2。

表1 原材料的化学成分（w%）

表2 三种莫来石的莫来石相含量（%）

1.2 试验配方及制样过程

按照表3的配方设计配料，变量为骨料和基质中莫来石。放入强制式搅拌机中先干混2 min；然后加入适量的水，以保证各浇注料的流动性基本相同，再湿混3 min；之后振动浇注成40 mm×40 mm×160 mm的试样和Φ90/Φ70 mm×80 mm中间带Φ50/Φ30 mm×50 mm盲孔的坩埚。在室温下养护1 d后脱模，经110℃×24 h烘干后，再在空气气氛中1 350℃×3 h热处理。

表3 试验配方（w%）

1.3 性能检测

按照GB/T 3001-2007检测常温抗折强度和耐压强度；按照GB/T 3001-2017检测常温抗折强度和耐压强度；按照GB/T 5988-2007检测加热永久线变化；按照GB/T 3002-2017检测高温抗折强度，检测条件为1 400℃×0.5 h；参照GB/T 4513.8-2017检测1 100℃水冷5次后的残余抗折强度；按照GB/T 8931-2007检测抗渣性（1 350℃×3 h）。

2 结果与讨论

2.1 莫来石种类对脱硫喷枪用浇注料体积密度的影响

由图1可以看出，经过110℃×24 h的烘干，3个配方的体积密度相差不大。添加电熔莫来石的浇注料TLQ1的体积密度略高一点，为2.54 g/cm3，添加高纯烧结莫来石的浇注料TLQ2略低一点，为2.43 g/cm3。

图1 莫来石种类对脱硫喷枪用浇注料体积密度的影响图

2.2 莫来石种类对脱硫喷枪用浇注料显气孔率的影响

由图2可以看出，经过1 350℃×3 h的烧成，添加高纯烧结莫来石的浇注料TLQ2的显气孔率最高，添加电熔莫来石的浇注料TLQ1最低，添加普通烧结莫来石的浇注料TLQ3的显气孔率居中。

图2 莫来石种类对脱硫喷枪用浇注料显气孔率的影响图

2.3 莫来石种类对脱硫喷枪用浇注料加热永久线变化率的影响

由图3可以看出，经过1 350℃×3 h的热处理，添加电熔莫来石的浇注料TLQ1的膨胀最大，添加普通烧结莫来石的浇注料TLQ3的膨胀最小。电熔莫来石中莫来石晶体尺寸大，发育良好，缺陷少，反应活性相对较低，不易与水泥等物质反应；而烧结莫来石中莫来石晶体尺寸小，发育不完整，缺陷多，反应活性相对较高，容易与水泥等物质反应。因此，浇注料TLQ1的膨胀量比TLQ2大。普通烧结莫来石中有铁、钛等杂质，在高温下产生较多液相，液相促进烧结，因此浇注料TLQ3的膨胀量最小。

图3 莫来石种类对脱硫喷枪用浇注料加热永久线变化率的影响图

2.4 莫来石种类对脱硫喷枪用浇注料常温抗折强度的影响

由图4可以看出，经过110℃×24 h的烘干，添加电熔莫来石的浇注料TLQ1的常温抗折强度最高，添加高纯烧结莫来石的浇注料TLQ2的常温抗折强度最低，添加普通烧结莫来石的浇注料TLQ3的常温抗折强度居中。因为经过110℃烘干，样块的常温抗折强度主要来源于水泥的结合强度，电熔莫来石呈针柱状，交错地分布在样块中，会略提高一点TLQ1的常温抗折强度。经过1 350℃×3 h的热处理，3个配方的常温抗折强度相差不大，添加电熔莫来石的浇注料TLQ1略高一点。

图4 莫来石种类对脱硫喷枪用浇注料常温抗折强度的影响图

2.5 莫来石种类对脱硫喷枪用浇注料常温耐压强度的影响

由图5可以看出，经过110℃×24 h的烘干，3个配方的常温耐压强度相差不大，添加电熔莫来石的浇注料TLQ1略高一点，电熔莫来石呈针柱状，交错的分布在样块中，会略提高一点TLQ1的常温耐压强度。经过1 350℃×3 h的热处理，添加电熔莫来石的浇注料TLQ1的常温耐压强度最高，添加高纯烧结莫来石的浇注料TLQ2的常温耐压强度最低，添加普通烧结莫来石的浇注料TLQ3的常温耐压强度居中。耐压强度与样块的致密度有关，材料致密度高，耐压强度高，浇注料TLQ2的显气孔率最大，因此其热处理的常温耐压强度最低；浇注料TLQ1的显气孔率最小，其热处理后的常温耐压强度最大，再者，电熔莫来石的针柱状结构也会提高浇注料TLQ1的耐压强度；浇注料TLQ3的显气孔率居中，因此其热处理后的常温耐压强度也居中。

图5 莫来石种类对脱硫喷枪用浇注料常温耐压强度的影响图

2.6 莫来石种类对脱硫喷枪用浇注料高温抗折强度的影响

由图6可以看出，添加高纯莫来石的浇注料TLQ2的1 400℃的高温抗折强度最高，添加普通烧结莫来石的浇注料TLQ3的1 400℃的高温抗折强度最低，添加电熔莫来石的浇注料TLQ1的1 400℃的高温抗折强度比浇注料TLQ2略低一点。普通烧结莫来石中有铁、钛等杂质，在高温下产生较多液相，因此其高温抗折强度较低。

图6 莫来石种类对脱硫喷枪用浇注料高温抗折强度的影响图

2.7 莫来石种类对脱硫喷枪用浇注料抗折保持率的影响

由图7可以看出，添加普通烧结莫来石的浇注料TLQ3的抗折保持率最高，添加电熔莫来石的浇注料TLQ1的抗折保持率最低，添加高纯烧结莫来石的浇注料TLQ2的抗折保持率居中。电熔莫来石中莫来石晶体尺寸大，发育良好，缺陷少；而烧结莫来石中莫来石晶体尺寸小，发育不完整，晶界多，缺陷多。晶界和缺陷可以起到防止因急冷急热产生裂纹的瞬时扩展，还可以在一定程度上吸收热膨胀的作用，从而减少材料的内部应力。因此添加高纯烧结莫来石的浇注料TLQ2的抗折保持率比添加电熔莫来石的浇注料TLQ1高。普通烧结莫来石中含有铁、钛等杂质，经过热处理冷却到常温后呈玻璃相，降低了材料的平均热膨胀系数，因此提高了材料的抗热震稳定性，表现为添加普通烧结莫来石的浇注料TLQ3的抗折保持率比添加高纯烧结莫来石的浇注料TLQ2的抗折保持率高。

图7莫来石种类对脱硫喷枪用浇注料抗折保持率的影响图

2.8 莫来石种类对脱硫喷枪用浇注料抗渣侵蚀性的影响

图8 所示为莫来石种类对脱硫喷枪用浇注料抗渣性的影响，坩埚是经过110℃×24 h烘干，放入国内某钢厂脱硫终渣，再经过1 350℃×3 h热处理。表4为国内某钢厂脱硫终渣的化学成分。从坩埚剖面图的侵蚀厚度和轮廓清晰程度上可以看出，添加电熔莫来石的浇注料TLQ1和添加高纯烧结莫来石的浇注料TLQ2抗脱硫终渣的侵蚀能力相差不大，均好于添加普通烧结莫来石的浇注料TLQ3。这是因为普通烧结莫来石中含有铁、钛等杂质，在高温下产生液相，使得基质易溶于熔渣中，因此其抗侵蚀性差。