氮化硅鐵對鋁碳質(zhì)炮泥性能影響的研究

*周永平 唐麗霞 付文亮

(安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

0 前言

隨著高爐大型化和冶煉技術(shù)的強(qiáng)化，鐵口受到?jīng)_刷和侵蝕越來越嚴(yán)重，這對炮泥提出了更高的要求。一般通過添加非氧化物如氮化硅、氮化硅結(jié)合碳化硅和氮化硅鐵等來提高鋁碳質(zhì)炮泥的性能，這些非氧化物添加劑具有良好的抗熱震性、抗氧化性、耐沖刷性等優(yōu)點(diǎn)［1－3］。本實(shí)驗(yàn)研究了添加Fe－Si3N4對鋁碳質(zhì)炮泥性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)用原料

主要采用白剛玉、焦粉為骨料，絹云母、軟質(zhì)粘土和氮化硅鐵(化學(xué)組成見表1)為細(xì)粉，焦油為結(jié)合劑。

表1 氮化硅鐵的化學(xué)組成 wt%

1.2 試樣的制備

按表2 進(jìn)行配料，先將90%焦油與粗顆粒白剛玉混合，然后加入中顆粒白剛玉，再加細(xì)粉，最后再加10%的焦油混勻。將混好的原料在80 MPa 壓力下壓制成40 mm×40 mm×160 mm 的素坯，自然養(yǎng)護(hù)24 h 后脫模，再110℃×24 h 烘干。

1.3 試驗(yàn)方法

將素坯分兩組，一組在1500℃×3h埋碳熱處理，冷卻后，利用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測其常溫強(qiáng)度性能，真空泵和裝煤油密封器皿測顯氣孔率和體密度，游標(biāo)卡尺測線變化。另一組在1200℃×3 h 埋碳熱處理，冷卻后，將試樣加工成坩堝，在坩堝中加入100 g 高爐渣，再次在1500℃×3 h 埋碳熱處理，冷卻后將試樣沿縱向剖開，利用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行宏觀分析及SEM 進(jìn)行微觀分析。試驗(yàn)所用爐渣的化學(xué)組成見表3。

表2 試樣的配料 wt%

表3 爐渣的化學(xué)組成和堿度

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 氮化硅鐵對試樣強(qiáng)度和氣孔率的影響

氮化硅鐵在高溫下會與試樣中的其他組成發(fā)生反應(yīng)，對試樣的常溫性能產(chǎn)生一定影響。其添加量對試樣常溫性能影響見表4。

表4 試樣的性能指標(biāo)

從表4 中可以知道，添加了氮化硅鐵的試樣的強(qiáng)度(耐壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度)均高于未添加的1#試樣，根據(jù)相關(guān)研究［4］，這主要是發(fā)生了以下反應(yīng):

隨著氮化硅鐵添加量的增加，試樣的氣孔率增加，這是因?yàn)榘l(fā)生了反應(yīng)(2)和反應(yīng)(3)，生成的氣體N2和CO 在高溫下遷移逸出時(shí)使試樣的氣孔尺寸增加，且隨著氮化硅鐵添加量的增加，生成的氣體量也增加，所以1#～4#試樣的氣孔率呈上升趨勢。

對4#試樣的基質(zhì)作X 衍射分析如圖1 所示。

圖1 試樣4 基質(zhì)的X 衍射分析結(jié)果

基質(zhì)中生成了SiC 和AlN，且形成了相互交錯(cuò)的組織，強(qiáng)化骨料之間的結(jié)合，從而使試樣的強(qiáng)度提高。2#、3#試樣的強(qiáng)度隨著氮化硅鐵添加量的增加而增大，其主要原因是隨著氮化硅鐵添加量的增加，材料中的鐵元素分布范圍增大，材料的燒結(jié)性更好，并且生成的SiC 和AlN 量也在增加;但當(dāng)?shù)梃F添加量增加到一定量(15%)后，4#試樣強(qiáng)度開始下降，這主要是由于試樣氣孔率過大，而且過量鐵元素的存在也使試樣在高溫時(shí)的液相數(shù)量增多，導(dǎo)致試樣強(qiáng)度下降。

2.2 氮化硅鐵對試樣抗渣侵蝕性能的影響

高爐渣放入試樣制成的坩堝中，在高溫下爐渣熔化并與試樣中的組分發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生低熔點(diǎn)物質(zhì)，造成熔渣與試樣接觸面侵蝕。不同氮化硅鐵含量侵蝕后試樣的剖面如圖2 所示。

圖2 不同氮化硅鐵含量侵蝕后試樣的剖面

由圖2 可看出，1#試樣的剖面的內(nèi)側(cè)壁有明顯的侵蝕現(xiàn)象，侵蝕部分呈現(xiàn)疏松狀，2#試樣的侵蝕現(xiàn)象也比較明顯，而3#和4#試樣的侵蝕程度明顯減小，內(nèi)側(cè)壁光滑，與未被侵蝕部分的分界不明顯。所以從表觀上看，隨著氮化硅鐵添加量的增加試樣抗渣侵蝕性能增強(qiáng)。

分別對試樣進(jìn)行線掃描，渣侵蝕深度是根據(jù)線掃描結(jié)果Ca 元素的變化趨勢來確定，氮化硅鐵添加量為0～10%時(shí)，渣的侵蝕深度逐漸減小;當(dāng)超過10%后，渣的侵蝕深度略有增大。Fe－Si3N4加入量與侵蝕深度的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 Fe－Si3N4加入量與侵蝕深度的關(guān)系

由圖3 可看出，氮化硅鐵可以改善材料的抗渣侵蝕性能，但其增加到一定量后效果不明顯。這是因?yàn)榈梃F中的氮化硅是強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，其具有熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)小、機(jī)械強(qiáng)度高、耐磨性及自潤滑性好及耐高溫等特點(diǎn)，在高溫下，氮化硅與渣的潤濕角為110 °～130 °，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于剛玉耐火材料與渣的潤濕角［5］。而且氮化硅鐵在一定溫度與其他組分發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生N2和CO，使得材料內(nèi)部的氣孔中充滿氣體，有效的阻止了熔渣的滲透。但氮化硅鐵的加入量超過10%時(shí)，由于顯氣孔率的進(jìn)一步上升，致使試樣強(qiáng)度和抗沖刷性能下降，此外，材料中過多的鐵元素會導(dǎo)致試樣在高溫時(shí)產(chǎn)生液相，這些因素都使試樣抗侵蝕性能下降;但由于試樣中鐵元素含量相對較少，故3#和4#試樣的抗渣侵蝕性能相差不大。

3 結(jié)論

1)添加適宜氮化硅鐵可提高鋁碳質(zhì)炮泥的強(qiáng)度;

2)氮化硅鐵添加劑可提高鋁碳質(zhì)炮泥的氣孔率;

3)添加適量的氮化硅鐵可以顯著提高炮泥抗渣侵蝕性;

4)試樣內(nèi)加入10%的氮化硅鐵即可獲得較好的效果。

［1］T.Kojovic.Influence of aggregate stemming in blasting on the SAG mill performace.Minerals Engineering，2005，18，(1398－1404).

［2］F.J.Oliveira，R.F.Silva and J.M.Vieira.The Reaction Rate at Si3N4/Steel Interfaces as a Function of Sintering Aids.Journal of the European Ceramic Society，2002，22，(2561－2570).

［3］V.Stamos.Metal Thickness Effect on the Calibration of Stress Intensity Factors for Si3N4/Fe and Al2O3/Au Joints.Engineer Fracture Mechanics 1998，60，(323－332).

［4］桂明璽譯.氮化硅鐵在高爐出鐵口用炮泥料中的性狀.國外耐火材料，1998，23(12):41－44.

［5］孫榮國，薛文東，孫加林，洪彥若.氮化硅對剛玉質(zhì)高爐噴補(bǔ)料抗渣性能的影響.耐火材料，2005，39(3):219－219.