硅微粉對Al2O3-SiC-C質鐵溝料的性能影響

古麗寨娜·哈布都拉，榮　巍，程本軍

(1.中南大學能源科學與工程學院，長沙　410083;2.無錫市泰滬高溫材料有限公司,無錫　214111)

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硅微粉對Al2O3-SiC-C質鐵溝料的性能影響

古麗寨娜·哈布都拉1，榮巍2，程本軍1

(1.中南大學能源科學與工程學院，長沙410083;2.無錫市泰滬高溫材料有限公司,無錫214111)

本文以棕剛玉、碳化硅粉、氧化鋁微粉、純鋁酸鈣水泥(Secar71)等原料制備了Al2O3-SiC-C(ASC)質鐵溝澆注料,探討了低硅微粉加入量(質量分數(shù)分別為0、0.5%、1%、1.5%)對鐵溝澆注料性能的影響。研究結果表明：在110 ℃烘干24 h和在1450 ℃煅燒保溫3 h后，隨著硅微粉加入量的增加，鐵溝料加水量逐漸減小，顯氣孔率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，體積密度的變化趨勢與顯氣孔率的正好相反，常溫抗折強度及耐壓強度呈現(xiàn)逐漸增強的趨勢, 加入1.5%硅微粉的試樣線膨脹系數(shù)比1%試樣的大。綜合分析ASC鐵溝澆注料在高爐使用過程中各方面的性能要求，在現(xiàn)有顆粒級配工藝下，低硅微粉較為合適的含量為1.0%。

Al2O3-SiC-C鐵溝料； 硅微粉； 性能

1　引　言

高爐煉鐵時鐵水經出鐵口流出，在鐵溝流動過程中會對澆注料造成高溫沖刷和化學侵蝕作用，造成了渣鐵對出鐵溝的侵蝕、沖刷和熱震[1]，這就要求鐵溝澆注料具備足夠的高溫強度、良好的抗侵蝕性和抗熱震性。目前，國內外大中型高爐鐵溝大多采用Al2O3-SiC-C澆注料，該澆注料具有明顯的優(yōu)勢,如強度高、耐沖刷、使用壽命較長等,但是,仍有一些不盡人意的地方,特別是中高溫強度和使用壽命還有待進一步提高[2]。ASC澆注料常用的原料有棕剛玉、氧化鋁微粉、碳化硅、碳質材料等，常用的結合劑有純鋁酸鹽水泥、硅微粉[1-3]等。

硅微粉具有微米級粒徑、無定形結構、活性高、價格適中等優(yōu)點，加入澆注料中可以提高材料的流動性并促進澆注料的燒結[3]，加入硅微粉的澆注料凝結后,硅微粉表面形成的硅醇基(-Si-OH),經干燥脫水駕橋,形成了硅氧烷網狀結構,硅與氧之間的鍵,隨著溫度的上升而不發(fā)生斷裂,強度會逐漸提高[4]。因此硅微粉是鐵溝澆注料中一種非常重要的微粉材料。在含硅微粉的澆注料中，一般硅微粉的加入量為3%～5%[2-4]，很多學者對該區(qū)間硅微粉加入量對澆注料各種性能影響的研究較多，但硅微粉加入過多，必然會引起材料高溫性能的下降，因此，研究低硅微粉含量對鐵溝澆注料常溫及高溫性能的影響不僅可摸清低硅微粉含量對高爐鐵溝澆注料性能影響的規(guī)律，而且對澆注料高溫性能的提高有較大的積極作用，對鐵溝澆注料的應用具有一定的理論和指導意義。

2　實　驗

2.1原料選擇

鐵溝料以Al2O3-SiC-C為主要原料,并添加了部分添加劑來改善其施工、使用性能。本實驗采用多種粒度的棕剛玉骨料、碳化硅、325目白剛玉、71法拉基水泥、硅微粉等原料，參考文獻，棕剛玉配比為8～5 mm 20%、5～3 mm 20%、3～1 mm 20% 、1～0 mm 5%，碳化硅配比為1～0 mm 8%、325目7%。硅微粉的加入量分別按質量分數(shù)(w)0、0.5%、1%、1.5%進行改變。試樣配比方案如下表1。

表1　試樣配比

2.2試樣制備

按照表1配料，將原料放入攪拌機中攪拌，在攪拌過程中逐漸加入適量水。攪拌均勻后，將物料澆入40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)模塊內，在振動臺上振動澆注成型，經 24 h自然養(yǎng)護后脫模，放入烘箱內經110 ℃烘干24 h，然后在1450 ℃溫度中進行熱處理，保溫3 h燒成，隨后取出冷卻。冷卻后，測定試樣的線變化率、常溫抗折強度、常溫耐壓強度、彈性模量、膨脹系數(shù)、顯氣孔率和體積密度。

2.3性能測試

試樣的物理力學性能參照相關國家標準進行，其中線膨脹的測試是將樣條加工成φ10 mm×50 mm的圓柱體放入高溫膨脹儀中加熱，以測量出的材料線膨脹隨溫度變化而變化的狀況來表征。導熱系數(shù)測試采用平板法，試樣尺寸為230 mm×114 mm×64 mm。

3　結果與討論

所用硅微粉為冶煉硅鐵合金和工業(yè)硅時產生的SiO2和Si氣體與空氣中的氧氣迅速氧化并冷凝而形成的一種超細硅質粉體材料，圖1是其XRD圖。

從圖1可以看出，硅微粉為無定形結構，其表面活性很大，很容易與其他物質發(fā)生反應，通過硅微粉含量變化對Al2O3-SiC-C質鐵溝料的性能影響，可從材料學角度分析硅微粉對ASC質鐵溝料的影響機理和機制，并可根據實驗結果分析和研究對目前生產用ASC質鐵溝料進行優(yōu)化改進。

3.1硅微粉加入量對試樣加水量的影響

由圖2可知：隨著硅微粉含量的不斷增加，加水量逐漸減小。主要原因為硅微粉粒徑小，很容易進入鐵溝料的細粉的微小空隙中，同時，鐵溝料結構內游離水釋放出來，可充分發(fā)揮微粉的分散填充作用和游離水的潤滑作用，使鐵溝料的流動性達到最大[5]。

圖1　硅微粉的XRDFig.1　XRD of microsilica

圖2　硅微粉加入量對加水量的影響Fig.2　Water addition change with microsilica addition

3.2硅微粉加入量對試樣顯氣孔率和體積密度的影響

圖3　硅微粉加入量對試樣顯氣孔率的影響Fig.3　Relationship of apparent porosity of samplewith the addition of microsilica

圖4　硅微粉加入量對試樣體積密度的影響Fig.4　Relationship of bulk density ofsample with the addition of microsilica

圖3、圖4表示出硅微粉加入量對顯氣孔率和體積密度的影響。從圖3中可以看出: 經1450 ℃熱處理后的顯氣孔率較大，110 ℃次之；隨著硅微粉加入量的提高，試樣的顯氣孔率經110 ℃烘干和1450 ℃熱處理后先減小后逐漸增大；在硅微粉加入量為(w) 0.5% 時達到最小值，且隨著加入量的進一步增加，經110 ℃烘干的顯氣孔率大幅增大，1450 ℃熱處理后的變化的幅度不再明顯，且沒有超過最大值。材料的體積密度經1450 ℃熱處理后的較大，110 ℃次之，變化規(guī)律基本與顯氣孔率的呈現(xiàn)相反的趨勢。當加入硅微粉后，硅微粉粒徑小，鐵溝料基質孔隙可被硅微粉填充，因此，當試樣中的水排除后，留下的孔隙也較少，從而可提高鐵溝料的致密度，氣孔率降低。也就是說，加入硅微粉能提高體積密度和降低顯氣孔率。但當硅微粉加入量過大，硅微粉在填充材料微小空隙后仍有富余時，對材料的致密性反而產生不利影響，因此才會在硅微粉加入量為(w)1.5%有體密減小，顯氣孔率增大的趨勢。造成試樣1450 ℃熱處理后氣孔率較大的主要原因為試樣烘干后，由于水泥的存在造成內部殘存大量的結構水，經 1450 ℃熱處理后，這些結構水被排出，排出的同時會產生空隙，提高了材料的氣孔率，所以顯氣孔率變大[6]。

3.3硅微粉加入量對試樣抗折和耐壓強度的影響

圖5、圖6表示試樣在烘干后和煅燒后的抗折強度及抗壓強度?？梢钥闯觯?10 ℃×24 h/1450 ℃×3 h熱處理后，加入硅微粉的試樣，其常溫耐壓強度和抗折強度比沒有加入硅微粉的試樣高，且經1450 ℃熱處理后的強度高于110 ℃烘干后，可見硅微粉的加入明顯改善澆注料的常溫性能。圖5中試樣的抗折強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，硅微粉加入量為(w)1%時抗折強度最大。圖6顯示試樣的耐壓強度在110 ℃ 熱處理后呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，硅微粉加入量為(w)1%時為最大值。主要原因是因為，加入硅微粉后，微粉顆粒表面水化后形成的硅膠脫水后聚合而成牢固的微粉網狀鏈結構[7]，就是我們所說的常溫強度。由于硅微粉的顆粒細小、表面自由能大、活性大，當加熱溫度達到1450 ℃時，微粉顆粒反應形成的網狀結構能使?jié)沧⒘暇哂泻芨叩臒髲姸萚8]，從圖7可以看出。

圖5　硅微粉加入量對試樣抗折強度的影響Fig.5　Effect of microsilica addition on flexural strength

圖6　硅微粉加入量對試樣耐壓強度的影響Fig.6　Effect of microsilica addition on compressive strength

圖7　8#試樣的SEM Fig.7　SEM of 8# sample

在1450 ℃ 熱處理后，材料中的 硅微粉與Al2O3和CaO反應生成大量的玻璃相，材料的結合方式為陶瓷結合，根據有關文獻[9]，其結合強度要大于水合結合產生的強度。但當玻璃相過多時會造成材料的過燒，使結合強度下降，硅微粉加入量過大，硅微粉在填充材料微小空隙后仍有富余時，對材料的致密性反而產生不利影響，這是導致硅微粉加入質量分數(shù)為(w)1.5% 1450 ℃×3 h熱處理試樣常溫抗折強度和耐壓強度又開始下降的主要原因。

3.4硅微粉加入量對試樣彈性模量的影響

圖8從彈性模量的角度分析試樣，經1450 ℃×3 h 熱處理后，硅微粉加入量逐漸增加時，彈性模量也逐漸增大，硅微粉加入量為(w)1.0%時ASC鐵溝料的彈性模量最高，隨后直線下降，加入量為(w)1.5%試樣彈性模量最低。主要因為，硅微粉含量不同，熱處理后試樣的彈性模量的大小也不同。隨著硅微粉加入量的增加，ASC鐵溝料體積密度和抗折強度增大，材料膨脹，硅微粉加入量為(w)1.0%時ASC鐵溝料抗折強度最大，原子間距最大，所以其彈性模量最高，當硅微粉加入質量分數(shù)為(w)1.5%時，硅微粉加入量過大，玻璃相過多時會造成材料的過燒，使結合強度和致密性下降，這是導致試樣彈性模量減小的原因[10]。

3.5硅微粉加入量對試樣膨脹系數(shù)的影響

圖9為ASC鐵溝料試樣線膨脹系數(shù)隨硅微粉含量的變化。從圖9可以看出，1450 ℃熱處理后，2#3#4#試樣隨溫度升高均呈現(xiàn)先降低后增加趨勢，2#試樣在325～400 ℃之間線膨脹達到最小，隨后緩慢增加，3#試樣在1450 ℃附近線膨脹系數(shù)達到最小，隨后慢慢增加。4#試樣在300～425 ℃附近線膨脹達到最小，隨后緩慢增加。線膨脹系數(shù)降低的主要原因可能是因為，低熔點相的過度生成所致[11]。由圖可知，加入(w)0.5%和(w)1%硅微粉的試樣線膨脹系數(shù)比(w)1.5%硅微粉的試樣線膨脹系數(shù)要小，試樣線膨脹系數(shù)越小，則受到熱沖擊時材料尺寸變化較小，產生熱應力小且不易剝落。

圖8　硅微粉加入量對試樣彈性模量的影響Fig.8　Effect of microsilica addition on elastic modulus

圖9　硅微粉加入量對試樣膨脹系數(shù)的影響Fig.9　Effect of microsilica addition onlinear expansion coefficient

4　結　論

(1) 經過110 ℃烘干及1450 ℃熱處理后，隨著硅微粉含量的增加，試樣體積密度基本呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，顯氣孔率基本呈現(xiàn)先減小后增大趨勢；

(2) 經過110 ℃烘干及1450 ℃熱處理后，隨著硅微粉含量的增加，試樣耐壓、抗折強度呈先增大后降低。高溫時大量燒結相的生成導致1450 ℃熱處理的Al2O3-SiC-C質鐵溝澆注料試樣強度比110 ℃烘干后的提高很多；

(3) 綜合Al2O3-SiC-C質鐵溝澆注料在高爐的使用過程中各方面的性能要求，硅微粉的加入量應控制在一定范圍內,加入量過少不能充分發(fā)揮硅微粉的作用,加入量過多可使?jié)沧⒘象w積密度降低，氣孔率增加，抗折強度降低,當硅微粉加入量(w)為1.0%，試樣具有最佳的綜合性能。

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Effect of Microsilica on the Properties of Al2O3-SiC-C Castables for Iron Trough

GULIZHAINA·Habudula1，RONGWei2，CHENGBen-jun1

(1.School of Energy Science and Engineering，Central-south University，Changsha 410083，China;2.Taihu High Temperature Materials Co.Ltd.，Wuxi 214111，China)

Al2O3-SiC-C castable for iron trough were prepared by using brown corundum, silicon carbide powder, aluminium oxide micropowder, and calcium aluminate cement(Secar71). The influence of microsilica addition (Mass fractions were 0,0.5%,1%,1.5%) on properties of the castable were investigated. The results show that the Iron Trough’s water addition decreases gradually with the increase of microsilica addition. After drying at 110 ℃ for 24 h and firing at 1450 ℃ for 3 h, Al2O3-SiC-C castable samples’ apparent porosity decreases at first and then increases afterwards, but the samples’ bulk density changes reversely comparing with that of apparent porosity. The samples’ flexural strength and compressive strength show a trend of gradual enhancement and the linear expansion coefficient of the ASC castable sample with 1.5% microsilica is larger than that with 1% microsilica．Comprehensive analysis, according to the performance requirements of ASC castables for iron trough used in blast furnace process, the optimum microsilica content is 1.0%.

Al2O3-SiC-C castables for iron trough；microsilica；property

古麗寨娜·哈布都拉(1988-)，女，碩士研究生.主要從事高爐鐵溝澆注料的應用及仿真方面的研究.

程本軍，高級工程師.

TQ173

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1001-1625(2016)06-1795-05