尖晶石种类对刚玉-尖晶石浇注料性能的影响
2022-06-21李天学郜桥刚毕振勇邵俊宁
李天学 郜桥刚 毕振勇 邵俊宁
1）河南海格迩新材料有限公司 河南洛阳471200
2）北京首钢股份有限公司 北京064404
随着钢铁冶炼技术的不断进步，冶炼钢种不断向高附加值、高技术含量方向发展。虽然耐火材料在钢铁冶炼中消耗占比较低，但它是炼钢生产中不可或缺的高温筑炉材料和功能材料。刚玉-尖晶石浇注料具有抗渣侵蚀性和渗透性好、抗热震性好等优良性能，用于钢包的重要部位［1-6］。尖晶石作为刚玉-尖晶石浇注料的主要原料，能够提升浇注料的抗渣性及抗热震性。根据尖晶石的合成工艺，可分为电熔尖晶石和烧结尖晶石。目前，对刚玉-尖晶石浇注料中尖晶石加入方式和加入量的相关文章及报道较多［7-10］，而不同种类尖晶石对比研究较少。为此，在本工作中对比研究了尖晶石种类对刚玉-尖晶石浇注料性能的影响，为实际工作中如何选择尖晶石提供借鉴。
1 试验
1.1 原料
本试验采用的原料主要有板状刚玉颗粒（6～3、3～1、≤1 mm）及细粉（0.045 mm）、电熔尖晶石颗粒（≤1 mm）及细粉（0.045 mm）、烧结尖晶石颗粒（≤1 mm）及细粉（0.045 mm）、活性尖晶石微粉（d50＝1.82μm）、活性Al2O3微粉（d50＝1.68μm）等，以纯铝酸钙水泥Secar 71为结合剂。所用主要原料的化学组成如表1所示。
表1 原料的化学组成
1.2 试样制备
试样配比见表2。按表2进行配料后干混1 min，加4.0%（w）的水搅拌3 min后，振动浇注成40 mm×40 mm×160 mm的长条试样，以及外径φ100／90 mm×100 mm、内孔为φ50／44 mm×60 mm的坩埚试样。在室温下养护24 h后脱模，再自然干燥24 h，经110℃保温24 h烘干，然后以5℃·min-1的升温速率分别在1 400、1 600℃保温3 h热处理。
表2 试样配比
1.3 性能检测
按GB／T 4513.4—2017测浇注料的流动值；分别按YB／T 5200—1993（2017）、GB／T 3001—2017、GB／T 5072—2008测110、1 400、1 600℃处理后试样的体积密度、常温抗折强度和耐压强度；按GB／T 5988—2007检测1 400、1 600℃处理后试样的加热永久线变化率。
抗热震性：将经1 600℃保温3 h处理后的试样放入950℃炉内保温30 min，然后将试样取出风冷，吹0.1 MPa压缩冷空气5 min，再自然冷却，测定试样1次风冷热震前后的抗折强度，以热震后抗折强度保持率表征试样的抗热震性。
抗渣性：将110℃烘干后坩埚试样中加入70 g某钢厂精炼钢包渣，在电炉中经1 600℃保温3 h进行抗渣试验。将试验后坩埚试样对称纵向切开，观察并测量渣侵蚀和渗透情况。采用扫描电子显微镜观察抗渣试验后材料的显微结构。所用精炼钢包渣的化学组成（w）为：CaO 34.61%，Fe2O328.66%，MnO214.23%，SiO211.86%，Al2O36.07%，MgO 2.75%，P2O50.44%，TiO20.71%，V2O50.39%。
2 结果和讨论
2.1 流动性
在相同加水量（w）4%的情况下，试样1＃、2＃、3＃的振动流动值分别为132%、99%、136%，可见引入电熔尖晶石的1＃试样流动值远大于使用烧结尖晶石的2＃试样的。在2＃试样基础上引入活性尖晶石微粉后，3＃试样的流动值明显增大，与1＃试样的相当。这是因为活性尖晶石微粉（d50＝1.82μm）有利于颗粒之间细小空隙的填充，能明显改善流动性。
2.2 物理性能
表3示出了试样经不同温度处理后的物理性能。可以看出，试样经过110℃保温24 h后，体积密度、抗折强度、耐压强度等相差不大；分别经1 400和1 600℃保温3 h处理后，2＃试样比1＃试样的抗折强度和耐压强度略高，但3＃试样提高的幅度较大。由于活性尖晶石微粉粒度细小，比表面积大，在浇注料中弥散分布，对烧结致密化的促进作用更明显，进而获得更好的结合强度。
表3 试样的物理性能
经1 400℃保温3 h处理后试样的永久线变化均是微膨胀，且1＃试样到3＃试样的膨胀幅度越来越小；经1 600℃保温3 h处理后1＃试样的永久线变化率为正，试样表现为微膨胀，2＃和3＃试样呈现微收缩。
2.3 抗热震性
试样的抗热震性见图1。
图1 1 600℃处理后试样经950℃风冷1次后的抗热震性
由图1可知：2＃试样的残余抗折强度保持率最高（73.9%），3＃试样的次之（67.1%）。这是因为烧结尖晶石晶粒尺寸较小，具有较多的边界，在试样急冷急热过程中，能够缓解部分热应力，减少对试样本体的破坏，保持了较高的抗折强度；当在3＃试样中引入少量的活性尖晶石微粉后不仅提高了试样的烧结性能，同时也提高了试样的致密度，缓冲热应力能力降低，导致3＃试样的抗折强度保持率降低，但仍高于全部使用电熔尖晶石的1＃试样。
2.4 抗渣性能
坩埚试样经1 600℃保温3 h抗渣试验后的纵剖面照片见图2。坩埚试样剖面横向和纵向的侵蚀深度、渗透深度和过渡层（渗透层外边沿到试样原砖部分有一明显亮环）深度见表4。根据检测数据可知，添加电熔尖晶石的1＃试样在抗侵蚀性略好于其他两组试样，而在抗渗透性有所欠缺。综合对比，引入活性尖晶石微粉的3＃试样，无论是试样致密度，还是尖晶石粒度分布，都具有较强的优势，在抗渣渗透性表现最好。
图2 试样经1 600℃保温3 h抗渣试验后的纵剖面照片
表4 抗渣试验后试样的侵蚀深度、渗透深度和过渡层深度
3 结论
（1）在刚玉-尖晶石浇注料中，引入不同种类的尖晶石对试样在110℃保温24 h后的抗折强度和耐压强度影响不大，但使用电熔尖晶石能降低加水量，提高流动性，得到优良的施工性能。
（2）使用电熔尖晶石有利于提升材料的抗渣侵蚀性能；但在抗渣渗透性及抗热震性方面，烧结尖晶石更占优势。
（3）加入适量的活性尖晶石微粉可以弥补烧结尖晶石的不足，提高浇注料的可施工性，但对抗热震性方面会产生负面影响。
