尖晶石對(duì)剛玉尖晶石質(zhì)澆注料性能的影響

秦 巖，王亞娟，望伊濤，張普杰

(濮陽(yáng)濮耐高溫材料(集團(tuán))股份有限公司,濮陽(yáng) 457100)

0 引 言

剛玉尖晶石質(zhì)澆注料因具有優(yōu)良的抗渣侵蝕性、抗渣滲透性和抗結(jié)構(gòu)剝落性能而被廣泛應(yīng)用于大型鋼包，并取得引人注目的使用效果，成為世界鋼包內(nèi)襯的主流[1-2]。在發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，通過(guò)對(duì)鋼包內(nèi)襯采用鋁鎂質(zhì)噴射澆注料進(jìn)行噴射造襯，鋼包內(nèi)襯的使用壽命已經(jīng)提高到500爐次以上[3]。為了提高鋼包使用壽命，需要對(duì)鋼包內(nèi)襯進(jìn)行修復(fù)，本文對(duì)鋼包內(nèi)襯噴射修復(fù)用剛玉尖晶石質(zhì)澆注料進(jìn)行了一些基礎(chǔ)研究，主要研究了加入不同粒度的尖晶石對(duì)剛玉尖晶石質(zhì)澆注料性能的影響，經(jīng)過(guò)大規(guī)模的應(yīng)用證實(shí)加入的尖晶石越細(xì)小，越有利于提高澆注料的使用壽命。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

采用燒結(jié)剛玉、活性氧化鋁微粉、純鋁酸鈣水泥、鋁鎂尖晶石等為主要原料，所用原料的主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用原料主要成分Table 1 Main chemical composition of raw materials for experiment /wt%

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及試樣的制備

按表2中的配方配制材料，研究依次添加不同粒度的尖晶石的澆注料與不含尖晶石的剛玉澆注料在各項(xiàng)常溫性能和高溫性能的變化與差異。

表2 澆注料試驗(yàn)配方Table 2 Test formulas of castable /wt%

按表2中的配方GBPZ-A～D各配料20 kg，分別在攪拌機(jī)內(nèi)加水?dāng)嚢?，固定加水量?.5%，攪拌均勻后取樣5 kg檢測(cè)澆注料的流變性能，然后按照自流澆注料制樣標(biāo)準(zhǔn)制樣，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)試樣110 ℃烘干及1 500 ℃燒后的線變化、強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。

按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將1 500 ℃燒后試樣加熱到1 500 ℃保溫1 h并做高溫抗折強(qiáng)度檢測(cè)。

按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)1 500 ℃燒后試樣進(jìn)行三次水冷熱震，然后檢測(cè)試樣的常溫抗折強(qiáng)度，計(jì)算試樣的抗折強(qiáng)度保持率。

用靜態(tài)坩堝法進(jìn)行抗渣試驗(yàn)，將鋼包渣裝入坩堝試樣中，在1 500 ℃保溫3 h冷卻后，切開(kāi)坩堝，觀察鋼包渣對(duì)坩堝側(cè)壁的侵蝕和滲透深度。并用SEM對(duì)鋼包渣侵蝕后的試樣進(jìn)行分析。渣的化學(xué)成分見(jiàn)表3。

表3 渣的主要化學(xué)成分Table 3 Main chemical composition of slag /wt%

2 結(jié)果與討論

2.1 流變性能

圖1為澆注料的流變性能檢測(cè)結(jié)果。由圖1可知，使用10%的0～1 mm 的電熔尖晶石取代相同數(shù)量和相同粒度的板狀剛玉后，澆注料的流變性能略微變差。使用10%的320目電熔尖晶石或者微米級(jí)尖晶石細(xì)粉取代相同數(shù)量的板狀剛玉細(xì)粉后，澆注料在相同轉(zhuǎn)速下的剪切力矩明顯降低，這說(shuō)明澆注料的流變性能得到明顯改善。但加入微米級(jí)尖晶石粉的澆注料在相同轉(zhuǎn)速下的剪切阻力高于添加 320目電熔尖晶石的澆注料，這是因?yàn)樵嚇拥某?xì)粉含量偏多，增大了泥料的粘塑性，因此使得泥料在相同轉(zhuǎn)速下的剪切扭矩增大。綜上，添加320目或微米級(jí)的電熔尖晶石細(xì)粉，都有利于降低澆注料的剪切阻力，有利于澆注料的泵送施工。而加入微米級(jí)尖晶石粉的澆注料因具有一定的粘塑性，降低了澆注料放置過(guò)程中泥料泌水的可能，更有利于澆注料的泵送噴射施工。

圖1 澆注料流變?cè)囼?yàn)檢測(cè)結(jié)果
Fig.1 Rheological curves of castable

圖2 澆注料線變化率檢測(cè)結(jié)果
Fig.2 Linear change rate of castable

2.2 常溫物理性能

圖2是燒注料的線變化率檢測(cè)結(jié)果，由圖可知，加入的尖晶石粒度越細(xì)小，材料高溫?zé)蟮呐蛎浄仍叫。@與剛玉向尖晶石中固熔有關(guān)。因?yàn)楦邷叵拢牧现械膭傆?、鋁微粉與水泥中的CaO反應(yīng)生成CA6，產(chǎn)生較大的體積膨脹，而剛玉向尖晶石中的少量固熔促進(jìn)了材料的燒結(jié)[4-5]，所以尖晶石粒度越細(xì)小，比表面積越大，跟氧化鋁接觸面積越多，越有利于氧化鋁向尖晶石中固熔，使膨脹幅度有所降低，再者微米級(jí)超細(xì)尖晶石具有較好的燒結(jié)活性[6-7]，促進(jìn)了材料的燒結(jié)。

圖3是燒注料的強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果，由圖可知，加入0～1 mm 的尖晶石或者加入320目的尖晶石，對(duì)材料的常溫強(qiáng)度影響并不明顯。但加入微米級(jí)尖晶石細(xì)粉，明顯提高了材料的烘干強(qiáng)度和燒后強(qiáng)度。這主要是因?yàn)槲⒚准?jí)的尖晶石晶粒，比表面積大，改善了基質(zhì)間的結(jié)合狀態(tài)，有利于氧化鋁向尖晶石表面少量固熔，從而提高材料的結(jié)合強(qiáng)度。

圖3 澆注料常溫抗折強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果
Fig.3 Normal temperature flexural strength of castable

圖4 澆注料高溫抗折強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果
Fig.4 High temperature flexural strength of castable

2.3 高溫物理性能

圖4是澆注料的高溫抗折強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果，由圖可知，加入320目尖晶石細(xì)粉和加入微米級(jí)尖晶石細(xì)粉的試樣的高溫抗折強(qiáng)度相對(duì)較高，這是因?yàn)榧饩牧６仍郊?xì)小，越有利于促進(jìn)澆注料的燒結(jié)，并降低了因Al2O3和CaO反應(yīng)生成CA6帶來(lái)的體積膨脹幅度，增加了材料的致密度，從而提高了高溫結(jié)合強(qiáng)度。圖5是試樣的殘余強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果，由圖可知，加入尖晶石有利于提高材料的抗熱震性能，并且引入的尖晶石粒度越細(xì)小，試樣的抗熱震性能越好。這是因?yàn)閯傆衽c尖晶石存在著熱膨脹系數(shù)的差異，在試樣高溫?zé)珊罄鋮s時(shí)，尖晶石和剛玉周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生細(xì)小裂紋，這提高了材料的抗熱震性能[8-9]。

圖6是材料的抗渣侵蝕坩堝切面圖,可以看出，C和D試樣的坩堝壁殘厚相對(duì)較厚，這說(shuō)明加入尖晶石細(xì)粉更有利于提高材料的抗侵蝕能力。圖7是抗渣試樣SEM照片，由圖可以看出，不添加尖晶石的試樣中，鈣鋁黃長(zhǎng)石類低融物呈片狀聚集(圖中呈現(xiàn)為白色的區(qū)域，如圖7(a))。添加的尖晶石越細(xì)小，試樣中的低熔物越分散。材料在高溫下使用時(shí)，這些低熔物熔化成液態(tài)，導(dǎo)致材料內(nèi)部結(jié)合強(qiáng)度降低，抗高溫鋼水、鋼渣的侵蝕性能也隨之降低；而加入尖晶石的粒度越小，試樣基質(zhì)中的鈣鋁黃長(zhǎng)石類低融物也越分散(如圖7(d)比較明顯)，這些白色低熔點(diǎn)的礦物被尖晶石晶粒等高熔點(diǎn)物質(zhì)隔離；這些低熔物在高溫下熔化，不能形成大的液態(tài)區(qū)域或氣孔，對(duì)材料的強(qiáng)度和致密性影響較小。因此加入的尖晶石粒度越小，越有利于提高材料的高溫抗折強(qiáng)度，有利于提高材料的抗熱震性能和抗渣侵蝕性能。

圖5 澆注料強(qiáng)度保持率檢測(cè)結(jié)果
Fig.5 Strength retention of castable

圖6 澆注料試樣靜態(tài)抗渣坩堝切面圖
Fig.6 Sections of specimens corroded by ladle slag

圖7 抗渣試樣SEM照片
Fig.7 SEM images of slag resistance samples

3 應(yīng) 用

綜合材料流變性能和各項(xiàng)物理性能，選用GBPZ-D配方進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，在某鋼廠對(duì)300 t無(wú)碳鋼包在更換渣線磚后對(duì)包壁進(jìn)行噴射造襯。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，修復(fù)后的鋼包內(nèi)襯使用到30爐左右，開(kāi)始在鋼包底部出現(xiàn)豎向裂紋，隨著使用壽命的增加，裂紋也逐漸擴(kuò)展增大，使用到40爐以后，局部修補(bǔ)層開(kāi)始呈小塊狀剝落，但跟以前使用的不添加尖晶石的澆注料相比，使用壽命延長(zhǎng)了10爐以上，達(dá)到50爐左右。

分析出現(xiàn)剝落的原因：噴射修復(fù)層使用過(guò)程中，因熔渣的滲透，修復(fù)層中的Al2O3與熔渣中的 MgO、CaO、SiO2等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，分別生成大量的尖晶石、六鋁酸鈣和鈣鋁黃長(zhǎng)石等，使表層更致密，提高了材料抗熔渣滲透和侵蝕及抗高溫鋼水的磨損能力。但隨著修復(fù)層使用壽命的延長(zhǎng)，其厚度也逐漸變薄，最終被熔渣完全滲透，在鋼包反復(fù)使用的過(guò)程中，被熔渣完全滲透的噴射修復(fù)層因吸收渣中的SiO2等產(chǎn)生較多低熔相，受鋼包周轉(zhuǎn)過(guò)程中溫度波動(dòng)產(chǎn)生的熱震作用，開(kāi)始出現(xiàn)裂紋，當(dāng)裂紋增大增多到一定程度，隨著高溫鋼液及高溫熔渣的滲入，修復(fù)層開(kāi)始出現(xiàn)小面積剝落。而澆注料中較多的微米級(jí)尖晶石顆粒，隔離和分散了低熔相，延長(zhǎng)了裂紋出現(xiàn)的時(shí)間，提高了材料的抗侵蝕和抗剝落性能，因而延長(zhǎng)了澆注料的使用壽命。

4 結(jié) 論

(1)剛玉尖晶石質(zhì)澆注料中加入尖晶石粉料的粒度越小，越有利于改善材料的施工性能。微米級(jí)尖晶石細(xì)粉的引入增大了澆注料的粘塑性，降低了泥料在泵送過(guò)程中泌水的可能，有利于泥料施工性能的改善。

(2)加入尖晶石粉料的粒度越小，越有利于提高材料的燒結(jié)性能，降低材料的膨脹幅度，提高材料內(nèi)部的結(jié)合強(qiáng)度。

(3)大量的微米級(jí)尖晶石顆粒分散在基質(zhì)中，隔離了材料中低熔物相，提高了材料的抗渣侵蝕性能和抗熱震性能。

(4)加入微米級(jí)尖晶石的澆注料在鋼包上使用時(shí)表現(xiàn)出了優(yōu)異的使用效果，修補(bǔ)一次可使用50爐左右，跟前期使用的不添加尖晶石的澆注料相比，延長(zhǎng)了10多爐的使用壽命。