包覆碳源对ASC浇注料性能的影响及应用

2022-11-02李德民王义龙张宏进涂军波

工业加热 2022年9期

李德民，杨强，王义龙，张宏进，涂军波

(1.河北国亮新材料股份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)

高炉炼铁是目前主要炼铁方式，高炉出铁沟是必要的出铁通道，对于出铁沟浇注料有捣打料、振动料、预制件和浇注料，捣打料和振动料由于通铁量低和污染大使用的越来越少，预制件的安放费时费力，同时预制件与预制件之间的接茬部位风险比较高，因此浇注料是目前的首选，浇注料大多使用Al2O3-SiC-C质浇注料，它的损毁主要在于渣铁侵蚀，为抵抗渣铁，必须引入碳源，如何减缓碳源在高温使用过程中的氧化反应是需要解决的共性问题，碳源一旦氧化，不但失去原有的抗渣铁侵蚀的作用，还会形成孔洞，加速渣铁向材料内部的侵蚀，目前为防止碳源氧化，基本均采用单一或组合使用的抗氧化剂，常用抗氧化剂有碳化硅、金属铝、金属硅、碳化硼等，各种抗氧化剂由于自身特点耗氧量不尽相同，有的抗氧化剂引入虽然会增强抗氧化性，但也会影响浇注料的其他性能，因此加入量会受到限制，本文介绍一种新型碳源引入方式，采用碳化钛包覆碳源作为碳源的引入方式，它的引入可以很好地防止碳素被氧化，同时生成物可以填充气孔，增加坯体致密度，对材料内部的氧化起抵抗作用，保证制品整体碳的氧化速率较低，提高制品抵抗熔渣侵入的能力，提高Al2O3-SiC-C质浇注料的使用寿命，因此研究包覆碳源加入量对铁沟浇注料性能的影响是本文的重点内容，并将研究的结果应用于工业试验[1-5]。

1 试验

1.1 原料

试验原料有：棕刚玉，白刚玉，碳化硅，二氧化硅微粉、球沥青、纯铝酸钙水泥、金属硅粉，氧化铝超微粉，原位碳水泥，化学组成见表1。

表1 主要原料化学组成

1.2 试样制备

以电熔棕刚玉、碳化硅、氧化铝、碳源、抗氧化剂等为原料，以微粉和水泥为结合剂，逐渐改变包覆碳源的加入量，分别按质量分数为0～2%，差值0.5%，制备成1#～5#试样，具体试样配比见表2。

表2 配方主要原料组成 %

按照表2所示进行配料，施工要求物料先干混1 min，在加水湿混3 min，保证均匀性，加水量满足施工流动性能为标准，将物料放入三联模具中振动成型，振动时间120 s,制得标准样条，室温养护后脱模，再经110 ℃恒温烘箱干燥24 h，最后将试样在空气气氛下，经中温1 000 ℃×3 h及高温1 500 ℃×3 h保温烧成，自然冷却后进行指标检测。

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流动性能，按照GB/T 5072—2008、GB/T 2997—2000检测试样的体密和显气孔率，按照YB/T5201—1993检测试样的耐压强度，按照GB/T 3002—1982检测试样的高温抗折强度(1 450 ℃×1 h)，按照GB/T 3001—2007测量试样线变化率，采用扫描电镜EVO18观察试样断口显微结构。

2 试验结果分析与讨论

2.1 包覆碳源加入量对浇注料体积密度和显气孔率的影响

经不同温度热处理后，随包覆碳源引入量的变化，试样的体积密度和显气孔率变化如图1所示。图1中显示，气孔率随包覆碳源的增加先降后升，体积密度先升后降。

这是因为，包覆碳源不易被水浸湿，需要较多的水来保证施工性能，随包覆碳源的增加，水量增加，由于其不易分散和被水润湿，水分丢失产生的气孔增多，会对浇注料的流动性、体积密度造成负面影响，同时，包覆碳源中的碳被碳化钛包裹，在温度升高过程中，包覆碳源中的碳可以很好地保留，不被氧气氧化，防止坯体疏松，减少气孔率，提高坯体致密度，因此呈现出气孔率先降后升、体密先升后降的趋势。

2.2 包覆碳源加入量对浇注料常温耐压强度的影响

经中温及高温热处理后，随包覆碳源加入的增加，试样的耐压强度变化如图2所示。从图2中发现，随着包覆碳源含量的提高，常温、中温及高温处理后试样的耐压强度的变化规律一致，先增后降，并且在包覆碳源加入量为1% 时，强度值达到最高点；原因分析：在总碳量保持不变的情况下，包覆碳源含量提高，常规碳源含量相应减少，常规碳源的适当引入可以填充气孔，同时还可以促进制品烧结，但加入量过大，由于其易被氧化留下较多气孔，往往对浇注料的致密度产生很大的影响，再有，包覆碳源不易被水浸湿，需要较多的水来保证施工性能，随包覆碳源的增加，水量增加，对强度产生不利影响，最后，包覆碳源中的碳被碳化钛包裹，在温度升高过程中，包覆碳源中的碳可以很好地保留，不被氧气氧化，防止坯体疏松，提高坯体致密度，增加中高温强度，这些因素综合影响导致试样的强度变化规律。

2.3 包覆碳源加入量对浇注料不同温度处理后线变化率的影响

经中温及高温处理后，随包覆碳源引入量的不同，试样线变化率变化如图3所示。图3中显示，随着包覆碳源加入的增多，试样经中温及高温处理后的线变化率均为正值，且逐渐减小，分析原因：在总含碳量不变的情况下，包覆碳源引入增加，常规碳源引入量相应减少，包覆碳源表面的碳化钛层可以有效地阻止碳过早被氧化，从而导致前期直接参加反应的碳含量下降，使得碳与硅在1 000 ℃左右发生膨胀反应强度下降，因此相应的膨胀会降低。

2.4 包覆碳源加入量对浇注料高温抗折强度的影响

包覆碳源引入量的变化，试样的高温抗折强度变化如图4所示。

从图4中了解到：随包覆碳源的增多，试样经1 450 ℃处理后的高温抗折强度增加，分析原因，由于碳源易氧化，导致显气孔率增加，体积密度下降，引入包覆碳源后，碳氧化成二氧化碳产生空隙，而碳化钛包覆层氧化为二氧化钛会填充部分空隙，一定程度提高了坯体的致密度，最重要的是，在氧气氧化碳源的过程中会首先与碳化钛反应，碳化钛包覆层会减少碳源与氧气的接触，从而减缓碳素的氧化，有效地阻止氧气渗透到内部，降低材料的气孔率，提高坯体致密性能，这对于高温抗折强度的提高有利。引入包覆碳源，试样经高温抗折处理后的显微结构照片见图5。

2.5 包覆碳源加入量对试样抗氧化性能的影响

经1 500 ℃×3 h高温处理后，试样的断面外观如图6所示。可以看出，脱碳层的厚度随着包覆碳源的增多逐渐下降，这是由于炭材料被碳化钛包覆层紧密包裹并弥散分布在浇注料中，克服炭材料易氧化的缺点，提高炭材料在浇注料基质中的存留时间，有利于改善含碳浇注料的抗氧化性能，碳与碳化钛包覆层存在牢固的结合力，这种紧密的结构可以有效阻止氧气进入，对碳素的氧化起到很好的抑制作用。但当包覆碳源加入量超过1%时，试样的抗氧化性能逐渐变缓，主要与引入的水量增多，水分蒸发残留更多的气孔，使材料结构致密性下降，结合性能下降，中高温强度相应下降，因此确定包覆碳源在ASC铁沟浇注料中最佳加入量为1%。