活性MgO和铝酸钙水泥结合刚玉－尖晶石浇注料性能对比

2023-12-26赵宗强张洪睿陈留刚

耐火材料 2023年6期

赵宗强张洪睿陈留刚

郑州大学材料科学与工程学院河南省高温功能材料重点实验室河南郑州 450052

铝酸钙水泥（CAC）结合的刚玉－尖晶石浇注料被广泛应用于钢包中［1－5］。尖晶石（MgAl2O4）的引入方式有原位生成和预合成后加入两种。其中原位MgAl2O4活性高，能更好地提高浇注料的抗熔渣渗透性［6－8］。但MgAl2O4的形成过程伴有8%的体积膨胀［2］，影响CAC结合浇注料的高温体积稳定性，进而影响其高温强度和抗渣性能［9］。近年来，活性MgO被用作结合剂制备刚玉－尖晶石质浇注料［10］。活性MgO的水化产物赋予浇注料一定的脱模强度［11－14］，并且MgO在高温下会与刚玉反应形成原位尖晶石［6－7］，使得MgO结合的浇注料具有更好的抗渣性。在本工作中，以活性MgO为结合剂制备了刚玉－尖晶石浇注料，并与CAC结合的刚玉－尖晶石浇注料进行了性能对比。

1 试验

1.1 试验原料

试验用原料有板状刚玉骨料（6～3、3～1、1～0.5和≤0.5 mm）和细粉（≤0.45 mm），活性氧化铝（BI－2），烧结镁砂细粉（≤0.45 mm），乳酸铝（≤0.45 mm），减水剂FS10和FS60。结合剂选用铝酸钙水泥（Secar 71）和活性MgO（d50＝4.48μm，MgO、CaO、SiO2、Fe2O3的质量分数分别为98.25%、1.45%、0.26%、0.03%）。

1.2 试样制备

活性MgO结合的试样RM和铝酸钙水泥结合的试样CAC的配料组成见表1。将配好的料手动预混1 min，在水泥胶砂搅拌机中干混1 min，然后加水湿混2 min。最后，将搅拌好的料振动浇注成25 mm×25 mm×150 mm 的条状试样和外部尺寸为φ60／70 mm×70 mm、内孔尺寸为φ35／40 mm×35 mm的坩埚试样。

表1 试样配比

再按表1中细粉部分的配比配料，手动干混1 min后倒入一次性塑料杯中，用搅拌器搅拌1 min，再加水搅拌2 min，制成基质试样。浇注料试样和基质试样自然养护24 h后，在110℃干燥24 h，然后在1 600℃保温3 h烧成。

1.3 性能检测

按GB／T 5988—2007测量烧后试样的加热永久线变化。分别按GB／T 3001—2007和GB／T 5072—2008检测烧后浇注料试样的常温抗折强度和常温耐压强度。按GB／T 2997—2015检测烧后浇注料试样的体积密度和显气孔率。

按GB／T 8931—2007检测浇注料试样的抗渣性能。称取30 g的CaO－Al2O3－Fe2O3－SiO2渣（渣中MgO、Al2O3、CaO、SiO2、Fe2O3、MnO的质量分数分别为6.50%、4.56%、30.41%、16.74%、34.85%、5.01%），放入经1 600℃热处理3 h后的浇注料坩埚试样中，在1 600℃保温3 h，冷却后沿坩埚孔中心轴切开，测量其剖面的侵蚀面积、渗透面积和原坩埚孔面积，然后计算坩埚的侵蚀和渗透面积百分率。

将烧后基质试样研磨成粉末，采用X’Pert PRO型X射线衍射仪分析其物相组成。用EPMA－8050G型场发射电子探针显微分析仪观察烧后浇注料试样基质部分的显微结构。

2 结果与讨论

2.1 烧后基质试样的物相组成和显微结构

烧后基质试样RM和试样CAC的XRD图谱见图1。可以看出：基质试样CAC中有MgAl2O4和CaO·2Al2O3（CA2），基质试样RM中只有MgAl2O4。

烧后浇注料试样RM和试样CAC基质部分的二次电子像见图2。可以看出：两个试样基质中都存在MgAl2O4（MA），并且MgAl2O4晶粒较小，晶粒间存在大量微米级气孔；试样CAC基质中还存在CA2，并且CA2晶粒比MgAl2O4晶粒大，晶粒间的结合也比较紧密。

图2 1 600℃烧后浇注料试样基质部分的二次电子像

2.2 浇注料试样的性能

经检测，浇注料试样CAC和试样RM在1 600℃保温3 h烧后的加热永久线变化分别为1.31%和0.72%。在热处理过程中，试样CAC 中生成的MgAl2O4和CA2均会发生体积膨胀（膨胀率分别为8%和13.6%），而试样RM 中只生成MgAl2O4。因此，试样RM的加热永久线变化比试样CAC的小，体积稳定性比试样CAC的好。

烧后浇注料试样CAC和试样RM的显气孔率、体积密度、常温耐压强度和常温抗折强度见图3。可以看出，试样RM的显气孔率略高于试样CAC的，但常温耐压强度和常温抗折强度显著低于试样CAC的。