铝酸钙水泥种类对Al2O3－SiC－C质铁沟浇注料性能的影响

牛春林 任 林 张晓波

北京利尔高温材料股份有限公司 北京 102211

随着现代高炉大型化、长寿化，出铁沟内高温铁水流速增加，出铁时间延长，出铁次数增多，铁沟浇注料周期性地受到铁水、熔渣的冲刷和侵蚀，使用环境非常恶劣。Al2O3－SiC－C质（ASC）铁沟浇注料因具有良好的高温耐磨性、抗冲刷性、抗渣渗透和侵蚀性、抗热震性、抗氧化性等特点，被广泛应用于高炉出铁沟的工作层［1－4］。铝酸钙水泥（CAC）具有优良的流变性能和较高的早期强度，是浇注料中应用最广泛的结合剂［5］，其对浇注料性能的影响倍受关注。李志刚等［6］发现随着水泥加入量的增加，浇注料的流动性降低，抗热震性能提高，抗渣性能先降低后提高。贾全利等［7］的研究表明，铝酸钙水泥的加入，改善了材料的抗热震性能，同时对冷态及热态强度也有一定的影响。田守信等［8］也研究了铝酸钙水泥对浇注料性能的影响，结果表明，随着水泥加入量的增加，浇注料的加水量、干燥后的致密度和强度增加，烧后致密度和强度下降，烧后线变化率升高，抗渣渗透性增强，但抗渣侵蚀性能变差。之前的研究多集中于水泥含量对浇注料性能的影响，而水泥种类对其性能影响的研究较少。为此，研究了不同种类铝酸钙水泥对ASC浇注料性能的影响。

1 试验

1．1 原料

本试验中以棕刚玉（8～5、5～3、3～1和≤0．074 mm）为骨料和细粉，以w（SiC）≥97．0%的碳化硅（≤1和0．074 mm）、α-Al2O3微粉（≤0．045 mm）、SiO2微粉（≤0．074 mm）、球状沥青（≤1 mm）为细粉，以Al粉和Si粉的混合物为抗氧化剂，以不同种类的铝酸钙水泥（CA50、CA70、Vical71、Vical21）为结合剂，以有机纤维为防爆剂，以六偏磷酸钠为减水剂。主要原料的化学组成见表1。由表1可知，水泥CA50、CA70、Vical71、Vical21中Al2O3和SiO2的总含量逐渐增加，CaO及其他杂质的含量逐渐减少。

表1 试验用主要原料的化学组成Table 1 Chemical composition of main raw materials

1．2 试样制备及检测

试样配比见表2。分别采用 CA50、CA70、Vical71、Vical21四种铝酸钙水泥为结合剂，对应试样编号分别为1＃、2＃、3＃、4＃。按表2配好的物料先干混60 s，再加入4．2%（w）的水湿混120 s，搅拌均匀后，振动浇注为40 mm×40 mm×160 mm的长条状试样和外部尺寸为φ100 mm×95 mm、内孔尺寸为φ50 mm×60 mm的坩埚试样。所有试样经室温养护24 h后脱模，再在110℃干燥24 h。部分长条状试样干燥后再经1 450℃保温3 h热处理。

表2 试样配比Table 2 Experimental formulations

对110℃保温24 h干燥及1 450℃保温3 h热处理后的试样，按GB／T 2997—2015检测显气孔率和体积密度，按GB／T 5072—2008检测常温耐压强度，按GB／T 3001—2017检测常温抗折强度。按GB／T 3002—2017检测干燥试样在1 400℃保温0．5 h的高温抗折强度。按GB／T 8931—2007采用静态坩埚法，将80 g高炉渣装入干燥后的坩埚试样中，经1 500℃保温3 h热处理后，将坩埚对称切开，观察其侵蚀情况，测量最大侵蚀厚度。高炉渣的主要化学组成（w）为：CaO 42．82%，SiO232．50%，Al2O312．50%，MgO 8．28%，Fe2O31．07%。

2 结果与讨论

2．1 显气孔率和体积密度

不同种类水泥结合的试样经110℃干燥及1 450℃热处理后的显气孔率和体积密度见图1。由图可知，1＃试样～4＃试样干燥后的显气孔率逐渐减小；热处理后的显气孔率先减小后增大，引入水泥Vical71的3＃试样显气孔率最低。干燥后体积密度的变化没有明显的规律性，热处理后试样体积密度先增大后减少，但两种条件下体积密度的变化幅度均较小。

图1 不同种类水泥结合的试样经干燥及热处理后的显气孔率和体积密度Fig．1 Apparent porosity and bulk density of dried and heattreated specimens with different CAC

分析认为，干燥后试样显气孔率的差异是由水泥水化造成的，CA 的初期水化物（亚稳态C2AH8、CAH10）会转化为稳态C3AH6，此反应会增大显气孔率［9］。由表1可知，1＃试样～4＃试样所含水泥中CaO含量逐渐减少，CA含量减少，所以110℃烘干后显气孔率降低。1 450℃保温3 h后，试样的显气孔率主要受水泥水化物分解、材料烧结程度及莫来石生成量的影响。一方面，1＃试样～4＃试样所含水泥中CaO含量减少，水泥水化物含量逐渐减少，水化物分解导致的疏松程度逐渐减小，同时所含水泥中Al2O3和SiO2的总量逐渐增加，莫来石生成量逐渐增加；但另一方面，所含水泥中CaO及其他杂质的含量逐渐减少，高温液相量减小，烧结程度降低，两方面因素共同作用使得3＃试样显气孔率最低。两种条件下体积密度变化幅度较小可能与水泥的含量有关。

2．2 常温强度

不同种类水泥结合的试样干燥后及热处理后的常温强度见图2。由图可知，1＃试样～4＃试样干燥后的耐压强度、抗折强度均先减小后增大，引入水泥CA70的2＃试样强度最低。1 450℃热处理后，1＃试样的耐压强度、抗折强度最低，2＃～4＃试样常温强度的变化幅度较小。

图2 不同种类水泥结合的试样经干燥和热处理后的常温强度Fig．2 Cold strengths of dried and heat-treated specimens with different CAC

110℃干燥后，试样的强度主要与材料的致密度、水泥水化物生成量相关，致密度越高、水泥水化物生成量越大，材料强度越高。由图1可知，110℃干燥后，1＃试样～4＃试样的致密度逐渐提高，但水泥水化物生成量逐渐减小，两方面因素共同作用使得试样的常温强度先减小后增大。1 450℃热处理后，试样内部将发生一系列相变，常温强度主要受强化相（莫来石）和烧结程度的影响，莫来石相含量越高、烧结程度越大，材料强度越高。1＃试样～4＃试样所含水泥中Al2O3、SiO2的总含量逐渐增加，因此热处理后莫来石量逐渐增大，但CaO和其他杂质的含量逐渐减少，因此高温液相量逐渐减小，试样的烧结程度逐渐降低，由此可知，热处理后常温强度的变化是上述两方面因素共同作用的结果。

2．3 高温抗折强度

不同种类水泥结合试样的高温抗折强度如图3所示。由图可知，1＃试样～4＃试样的高温抗折强度逐渐增大。分析认为，1＃试样～4＃试样所含水泥中Al2O3和SiO2的总含量逐渐增加，促进了莫来石相的生成，同时CaO及其他杂质的含量逐渐降低，减少了高温液相量的生成，最终使得高温抗折强度提高。

图3 不同种类水泥结合试样的高温抗折强度Fig．3 Hot modulus of rupture of specimens with different CAC

2．4 抗渣性能

图4是不同种类水泥结合的试样经1 500℃保温3 h抗渣试验后的剖面图。可知，1＃试样～4＃试样的渣最大侵蚀厚度分别为3．42、3．33、2．42、1．70 mm，侵蚀厚度及程度均逐渐减小，即试样的抗渣性能逐渐增强。分析认为，试样所含水泥中Al2O3含量逐渐增加，CaO及其他杂质的含量逐渐减少，高温液相量减少，强度增加，最终使得抗渣性能增强。

图4 不同种类水泥结合的试样经1 500℃保温3 h抗渣试验后的剖面图Fig．4 Section photos of specimens heat-treated at 1 500℃for 3 h with different CAC

3 工业试验

在实验室研究基础上，按表2配方生产了铁沟浇注料，在唐山某钢铁厂1 380 m3高炉上进行了工业试验，结果表明：用水泥Vical21为结合剂的铁沟浇注料一次性不修补通铁量达18万t，与含其他水泥的浇注料相比，通铁量最高，使用效果最优。

4 结论

引入CA50、CA70、Vical71、Vical21四种铝酸钙水泥的1＃试样～4＃试样，随所含水泥Al2O3和SiO2总含量的增加，CaO及其他杂质含量的减少，110℃干燥后的显气孔率降低，1 450℃热处理后的显气孔率先减小后增大，两条件下体积密度的变化幅度较小；干燥后的常温强度先减小后增大，热处理后的常温强度、高温抗折强度、抗渣性能均逐渐增大。综合实验室和工业试验结果考虑，选用水泥Vical21为结合剂，使用效果最好。