不同剛玉骨料對剛玉尖晶石磚抗渣性能的影響

翟紅軍，高配亮，秦建濤

（山東耐材集團(tuán)魯耐窯業(yè)有限公司，山東 淄博255200）

1 前 言

20世紀(jì)90年代以來，隨著低碳鋼、超低碳鋼冶煉技術(shù)的不斷發(fā)展，無碳鋼包襯材料研制一直受到耐火材料從業(yè)者廣泛關(guān)注［1］。剛玉尖晶石類耐火材料因其具有較好的抗熱震穩(wěn)定性能、較強(qiáng)的耐侵蝕性能和耐磨性能等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于無碳鋼包襯［2-4］。剛玉尖晶石類耐火材料主要包括剛玉尖晶石澆注料、剛玉尖晶石預(yù)制塊和剛玉尖晶石磚。較剛玉尖晶石澆注料、剛玉尖晶石預(yù)制塊相比，剛玉尖晶石磚還具有施工性能好、體積穩(wěn)定性好、致密度高、不引入SiO2、烘爐不會發(fā)生裂紋變形、在高溫下不會出現(xiàn)液相等優(yōu)點(diǎn)，因此剛玉尖晶石磚較前兩者在無碳鋼包襯中使用更為廣泛［5］。

針對剛玉尖晶石磚的研究成果較多，但未見不同剛玉骨料加入對剛玉尖晶石磚抗渣性能的影響的相關(guān)研究。筆者通過試驗(yàn)引入白剛玉、板狀剛玉、棕剛玉作為骨料加入制成剛玉尖晶石磚，并利用坩堝靜態(tài)抗渣法研究分析了加入不同剛玉骨料的剛玉尖晶石磚抵抗LF爐渣侵蝕性能。

2 試 驗(yàn)

據(jù)李楠［7-8］等研究結(jié)果表明，尖晶石加量在10%～30%時(shí)，剛玉尖晶石材料抗?jié)B透性能最佳，但尖晶石添加量＞30%和＜10%的材料會因渣黏度下降而導(dǎo)致抗?jié)B透性下降。本試驗(yàn)在鎂鋁尖晶石添加量在25%的情況下開展，固定粒度1 mm以下原料的類型與含量，分別以白剛玉、板狀剛玉、棕剛玉為粒度1 mm以上骨料引入形式，以硫酸鋁溶液和糊精溶液為結(jié)合劑，研究骨料的最佳組合方案。具體編號與試驗(yàn)方案見表1?？乖治g試驗(yàn)用LF爐爐渣具體化學(xué)成分如表2所示。

表1 試驗(yàn)編號與骨料加入形式對應(yīng)

表2 LF爐渣主要化學(xué)成分 %

原料按照一定的顆粒機(jī)配于混煉機(jī)混煉得到具有一定塑性的泥料，混煉后泥料通過機(jī)壓成型控制相同的體積密度制得標(biāo)準(zhǔn)磚半成品（試樣尺寸230 mm×114 mm×65 mm），半成品經(jīng)過110℃×24 h干燥后于隧道窯1 530℃×8 h高溫?zé)傻玫?組剛玉尖晶石磚。

對4組試樣進(jìn)行抗LF爐爐渣試驗(yàn)，將試樣制成80 mm×80 mm×65 mm內(nèi)孔Φ40 mm×35 mm的坩堝試樣，在每個(gè)坩堝中放入50 g LF爐爐渣，再同時(shí)于1 600℃下保溫4 h，將保溫處理后坩堝沿中心線剖開，對試樣的抗LF爐爐渣侵蝕性能進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同骨料對剛玉尖晶石磚抗渣侵蝕性能影響

通過匯總試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制圖表，得到不同骨料加入的剛玉尖晶石磚抗渣侵蝕深度與剖面形貌圖片如圖1和圖2所示。

圖1 不同骨料加入制品的侵蝕深度

從圖2可以看出，3#與4#試樣均發(fā)生裂紋穿渣現(xiàn)象，而未添加棕剛玉的1#與2#試樣未發(fā)生穿渣，分析其原因?yàn)椋弘S著處理溫度的升高與侵蝕時(shí)間的延長，棕剛玉晶界處的雜質(zhì)向顆粒邊緣遷移，使顆粒潰散，導(dǎo)致抗侵蝕試樣開裂較為嚴(yán)重；說明雜質(zhì)含量對其抗侵蝕性能的影響，這是由于原料中的Fe2O3、TiO2等雜質(zhì)加劇了剛玉相、尖晶石相與渣中CaO、SiO2反應(yīng)生成低熔點(diǎn)相，致使材料加速熔損；同時(shí)1#抗渣性能優(yōu)于2#，說明板狀剛玉由于氣孔率較高，抗侵蝕能力稍有下降。綜合分析考慮到骨料的復(fù)合使用可以提高剛玉尖晶石磚的抗熱震穩(wěn)定性能，使用板狀剛玉和白剛玉作為粗顆粒的1#試樣能夠更好的滿足鋼包使用條件。

圖2 1#～4#試樣抗LF爐渣后剖面外觀形貌

3.2 剛玉尖晶石磚抗渣侵蝕機(jī)理探究

對抗渣侵蝕性能較好的1#試樣的抗渣后坩堝侵蝕界面層和抗渣試驗(yàn)前后的鋼渣進(jìn)行衍射分析，所得XRD衍射圖譜如圖3和圖4所示。

圖3 抗渣前后鋼渣的XRD圖譜

圖4 抗渣后坩堝界面層的XRD圖譜

由圖3可知，對抗侵蝕試驗(yàn)前渣XRD衍射圖譜進(jìn)行分析可知，渣中主要礦物相為：C3S、CA、CaO、MgO。并通過半定量分析發(fā)現(xiàn)渣中CA與C3S的含量最高，因而可知渣的黏度較高，流動性較差，故其對材料的滲透能力較弱，這很好地解釋了侵蝕后坩堝斷面未見滲透層的原因。通過抗侵蝕試驗(yàn)后渣的XRD圖譜進(jìn)行分析可知，渣中主要礦物相變?yōu)椋烘V鋁尖晶石、鋁酸鈣、硅鋁酸鈣。抗侵蝕試驗(yàn)后的渣中CA和MA礦物相的相對含量較高，主要是因?yàn)椴牧现械腁l2O3融入到渣中與MgO、CaO、CA發(fā)生反應(yīng)所形成的，另外材料受侵蝕部位中的MA也融入到渣中，使得渣中也含有了一定量的MA。

通過圖4對受鋼渣侵蝕后材料與渣的界面層的XRD進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)界面層中主要礦物相為氧化鋁、六鋁酸鈣、鎂鋁尖晶石等。被渣侵蝕后的耐火材料中的尖晶石融入到渣液中致使剛玉相外露，部分剛玉相與渣中的C3A、CA、CaO發(fā)生反應(yīng)與固溶，其中反應(yīng)生成的CA6黏度大，附著在侵蝕層表面，對材料而言是一層抗侵蝕的保護(hù)層，從而阻止了渣對耐火材料的進(jìn)一步滲透與侵蝕。剛玉尖晶石材料中尖晶石的抗侵蝕機(jī)理為富鋁尖晶石八面體中存在大量的陽離子空位，非常容易地吸收渣中Fe2+、Ti2+等陽離子，形成復(fù)雜尖晶石體，尖晶石中的MgO與渣中FeOx反應(yīng)生成的MgO-FeOx固溶體，尖晶石固溶渣中FeOx、TiO2形成的（Mg，Ti，F(xiàn)e）（Fe，Al2O4）復(fù)合尖晶石，使渣中Fe、Ti氧化物的含量降低，SiO2含量增大，渣的黏度增大，提高了耐火材料的抗渣侵蝕性能和抗渣滲透性能。

4 結(jié)論

4.1 剛玉骨料的復(fù)合使用可以提高剛玉尖晶石磚的綜合性能，使用6～3 mm的板狀剛玉和3～1 mm的白剛玉作為粗引入，具有更優(yōu)的高溫性能和抗LF爐渣侵蝕能力。

4.2 尖晶石與LF爐渣接觸面易于形成固溶的保護(hù)層，從而進(jìn)一步減緩渣液向剛玉尖晶石磚本體內(nèi)的滲透與侵蝕。