以微孔刚玉－尖晶石骨料替代刚玉骨料制备刚玉

以微孔刚玉－尖晶石骨料替代刚玉骨料制备刚玉－尖晶石浇注料

2023-12-26刘学新张锦化陈鑫铭王景然杨宗源韩兵强柯昌明

耐火材料 2023年6期

刘学新张锦化陈鑫铭王景然杨宗源韩兵强柯昌明

1）武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室湖北武汉 430081

2）湖北斯曼新材料股份有限公司湖北黄冈 438400

刚玉－尖晶石浇注料具有良好的性能，在钢包工作衬中得到广泛应用［1－2］。但其热导率较大，导致钢包的热损失较大［3－4］。通过在钢包工作衬耐火材料中引入轻质骨料，可明显改善其保温性能，但其抗渣渗透能力下降［4－9］。

在前期工作中开发的微孔刚玉－尖晶石骨料，具有特殊的气孔结构，即在刚玉基体微气孔内表面原位生成了富铝尖晶石，在降低骨料热导率的同时，利用气孔内表面原位生成的富铝尖晶石，明显改善和强化气孔的抗熔渣渗透及侵蚀能力［10－11］。为了提高钢包工作衬用刚玉－尖晶石质浇注料的保温性能，并兼顾其抗渣渗透性能，在本工作中，以微孔刚玉－尖晶石骨料部分或全部替代烧结刚玉骨料制备钢包工作衬用刚玉－尖晶石浇注料，研究了替代量对浇注料的常规物理性能、热导率和抗渣性的影响。

1 试验

1.1 试验原料

试验用原料有：自制的微孔刚玉－尖晶石骨料（8～5、5～3、3～1和≤1 mm），烧结刚玉骨料（8～5、5～3、3～1和≤1 mm）和细粉（≤0.045 mm），电熔镁砂细粉（≤0.075 mm），中位径分别为1.7和1.3μm的α-Al2O3微粉和尖晶石微粉，纯铝酸钙水泥Secar 71，减水剂WSM－R1。

主要原料的主要化学组成见表1，2种骨料的主要物理性能见表2。

表1 主要原料的化学组成

表2 2种骨料的主要物理性能

经压汞仪孔径分布分析，微孔刚玉－尖晶石骨料的孔径集中分布在0.1～1.5μm，中值孔径约为0.8 μm；而烧结刚玉骨料的孔径一部分分布在0.2～1.5 μm，还有较大一部分分布在＞100μm。此外，烧结刚玉骨料和微孔刚玉－尖晶石骨料的孔容分别为0.023和0.062 cm3·g－1。

经XRD分析，微孔刚玉－尖晶石复合骨料由刚玉和尖晶石组成；其中的尖晶石为富铝尖晶石，Al2O3含量约78.0%（w）。

经显微结构分析，2种骨料中都存在孔径小、近球形的晶粒内气孔，孔径较大、形状不规则的晶粒间气孔。与刚玉骨料相比，微孔刚玉－尖晶石骨料的气孔数量较多，孔径较小。

1.2 试样制备及检测

用微孔刚玉－尖晶石骨料部分或全部替代烧结刚玉骨料，具体配比见表3。其中，基质包含烧结刚玉细粉、活性尖晶石微粉、α-Al2O3微粉和电熔镁砂细粉。

表3 试样配比

按表3配料，干混3 min后加水搅拌5 min，按GB／T 2419—2005测定泥料的流动性，然后振动浇注成型为40 mm×40 mm×160 mm的长条试样，外部尺寸为70 mm×70 mm×70 mm、内孔尺寸为φ30／20 mm×40 mm的坩埚试样，φ150 mm×20 mm圆片试样，自然养护24 h后脱模，在110℃烘箱中干燥24 h后，分别在1 100和1 600℃保温3 h热处理。

按相关标准检测烘干后试样在1 100和1 600℃保温3 h热处理后的加热永久线变化率（GB／T 5988—2007），烘干及不同温度热处理后试样的体积密度和显气孔率（GB／T 2997—2000）、常温抗折强度（GB／T 3001—2007）、常温耐压强度（GB／T 5072—2008），烘干后试样在1 400℃保温0.5 h条件下的高温抗折强度（GB／T 3002—2004），烘干后试样分别在300、600、800和1 000℃下的热导率（YB／T 4130—2005）。

按GB／T 8931—2007检测试样的的抗渣性能，试验渣为转炉终渣。试验渣的化学组成（w）为：CaO 45.62%，Fe2O329.48%，SiO214.89%，MgO 7.44%，Al2O31.36%，Na2O 0.02%，P2O51.97%，SO30.10%。抗渣试验条件为1 600℃保温3 h。抗渣试验后沿坩埚孔中心轴方向剖开，测量其侵蚀面积，计算侵蚀面积百分率。

2 结果与讨论

2.1 常规性能

试样的流动值、加热永久线变化率、体积密度、显气孔率、抗折强度、耐压强度等性能见表4。

表4 试样的常规物理性能

由表4可以看出：1）随着微孔刚玉－尖晶石加入量的增加，虽然试样的加水量逐渐增多，但其流动值却依次减小。这是因为微孔刚玉－尖晶石骨料的气孔率比烧结刚玉骨料的大，需消耗更多的水。2）各试样在1 100和1 600℃热处理后均发生较小的膨胀，这与热处理过程中生成镁铝尖晶石和六铝酸钙有关。3）随着微孔刚玉－尖晶石加入量的增加，烘干及不同温度热处理后试样的体积密度显著减小，显气孔率显著增大，这是由2种骨料的体积密度和显气孔率不同导致的。4）随着微孔刚玉－尖晶石加入量的增加，烘干后试样的常温抗折强度、常温耐压强度和高温抗折强度均逐渐减小，不同温度热处理后试样的常温抗折强度也依次减小。烘干后试样的强度取决于骨料的强度，而微孔刚玉－尖晶石骨料的强度比烧结刚玉骨料的低；高温抗折强度和不同温度热处理后试样的常温抗折强度均以烘干后试样的强度为基础。5）经不同温度热处理后，加入微孔刚玉－尖晶石试样的常温耐压强度均小于烧结刚玉为骨料试样的。微孔刚玉－尖晶石骨料的气孔率明显高于烧结刚玉骨料的，这是试样强度下降的主要原因。

2.2 热导率和抗渣性能

烘干后试样的热导率随温度的变化见图1。可以看出：在不同热面温度下，试样的热导率均随着微孔刚玉－尖晶石加入量的增加逐渐减小。这是因为微孔刚玉－尖晶石骨料的总气孔率大于烧结刚玉骨料的，并且孔径也比烧结刚玉骨料的小；此外，微孔刚玉－尖晶石骨料中尖晶石的本征热导率也低于刚玉的［13］。降低热导率可以提高钢包的保温性能，降低能源消耗。

图1 试样的热导率随温度的变化

抗渣试验后坩埚试样的剖面照片见图2，侵蚀面积和侵蚀面积百分率见图3。从图3可以看出：与试样A0相比，试样D11和试样D15的侵蚀面积和侵蚀面积百分率逐渐增大。这主要是因为微孔刚玉－尖晶石骨料的气孔率比烧结刚玉骨料的大。渣沿基质渗透，渣中的FeO、MnO、Fe2O3等成分被尖晶石吸收，形成尖晶石固溶体（SS）。熔渣中的CaO与基质中的Al2O3反应形成六铝酸钙（CA6）。渣与基质反应形成相对致密的陶瓷层，阻碍了熔渣对浇注料的进一步渗透和侵蚀。