高鋁礬土熟料抗鐵渣侵蝕性研究

劉貫重 趙金秋 鄧樂銳 王偉光

1）北京聯(lián)合榮大工程材料股份有限公司技術(shù)中心 北京101400

2）武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院 湖北武漢430081

隨著鐵溝噸鐵整體承包市場競爭不斷加劇，提高鐵溝料的“性價比”已成為鐵溝承包耐火材料廠家的努力方向。通過補短板，將每種耐火原料性能充分發(fā)揮而又不至于過剩，在保證整體質(zhì)量不降低或提升的同時，降低鐵溝料的產(chǎn)品成本［1-3］。范潤東等［4］的研究認為，價格低廉的剛玉抗侵蝕性較差，但抗?jié)B透性較好，有望作為骨料替代棕剛玉在高爐出鐵溝澆注料中使用；王瑩瑩等［5］以鋁鉻渣代替棕剛玉制備鐵溝澆注料，發(fā)現(xiàn)鋁鉻渣為骨料，加入量在34%（w）以內(nèi)時，鐵溝澆注料各項性能均有提高，以細粉替代棕剛玉粉可提高鐵溝澆注料的體積密度、高溫抗折強度和抗渣侵蝕性；李晨晨等［6］用藍晶石部分替代白剛玉，可有效緩解溶膠結(jié)合Al2O3-SiC-C澆注料的燒結(jié)收縮，提高澆注料的體積穩(wěn)定性；李宗寶等［7］認為在鐵溝料中使用再生原料替代常規(guī)原料，替代量17%～27%（w），澆注料的各項性能仍滿足使用要求。根據(jù)不同部位選擇不同檔次的鐵溝料產(chǎn)品實現(xiàn)鐵溝的壽命同步，也是出鐵溝降長板補短板的一種方式。田守信等［8］為了實現(xiàn)效益最大化，推薦出鐵溝采取不同部位用不同耐火材料的復(fù)合砌筑方法。

很多鐵溝廠家通過對鐵溝料的應(yīng)用后侵蝕情況分析，發(fā)現(xiàn)鐵溝料的侵蝕沖刷，多是基質(zhì)快于骨料，特別是對于大顆粒也采用電熔剛玉骨料的高檔鐵溝料配比體系。因此，很多廠家嘗試采用高檔礬土顆粒替代大顆粒的電熔剛玉骨料，以實現(xiàn)保質(zhì)降本，提高利潤率和市場競爭力。如魏建修等［9］認為以高品位高鋁礬土熟料替代鐵溝料中的棕剛玉骨料，在鐵水溫度不高、熱沖擊較小的中小型高爐上的使用效果差別不大。本工作中針對幾種高檔礬土熟料進行抗渣性對比研究，其中特別針對現(xiàn)在礬土綜合利用趨勢已成規(guī)模發(fā)展的均化礬土進行了分析探討。

1 試驗

1.1 礬土熟料選擇

幾種礬土熟料塊的來源及理化指標見表1。天然煅燒的2種：倒焰窯煅燒的TD88-A和回轉(zhuǎn)窯煅燒的TH88-B；均化礬土3種（均為濕法工藝）：梭式窯煅燒的2種（JS88-D和JS83-E），隧道窯煅燒的1種（JD88-C）?？骨治g性試驗用渣為一種高爐出鐵渣，化學(xué)組成（w）為：CaO 36.76%，SiO233.65%，Al2O313.98%，MgO 9.62%，F(xiàn)e2O31.56%，MnO 0.35%，K2O 1.71%，S 1.29%。

表1 幾種礬土熟料塊的來源、煅燒工藝及理化指標

1.2 試驗過程

以傳統(tǒng)倒焰窯煅燒天然塊料TD88-A作為抗渣試驗對比的基準樣塊，其余料塊與其分別鑲嵌于同一坩堝側(cè)壁上，進行1 500℃保溫6 h的抗渣試驗。試驗設(shè)計見表2。

表2 坩堝鑲嵌礬土料塊試驗設(shè)計

常規(guī)標準圓孔抗渣坩堝的形狀和大小都不滿足鑲嵌料塊的抗渣試驗要求。因此，設(shè)計了大尺寸方孔坩堝。對所選取幾種料塊進行切割，切面以小于坩堝內(nèi)側(cè)面為宜，厚度薄于坩堝壁厚。將切割后的料塊對稱貼附于坩堝模具方芯的兩側(cè)面，并以細鐵絲捆綁固定，而后以高爐出鐵溝用主溝自流料（去除1 mm以上的粗顆粒）進行坩堝的自流成型。成型后的坩堝自然養(yǎng)護24 h后脫模，再自然養(yǎng)護24 h，而后放置烘箱中110℃烘24 h。坩堝設(shè)計及料塊鑲嵌示意圖見圖1。

圖1 靜態(tài)抗渣坩堝及料塊鑲嵌示意圖

將鐵渣破碎為＜5 mm顆粒，每個抗渣坩堝裝入220 g破碎后的鐵渣。將裝好鐵渣的坩堝放入馬弗爐中，設(shè)定1 500℃保溫6 h。完成抗渣試驗后，取出坩堝并沿中軸線切開，對比觀察渣侵蝕情況并測量侵蝕深度。采用掃描電鏡觀察渣侵蝕后礬土切塊切割面的顯微結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗渣侵蝕性

幾組坩堝試樣侵蝕后的形貌見圖2。觀察并測量對比渣侵深度，見表3。

表3 礬土熟料塊的侵蝕深度和侵蝕評判

圖2 坩堝試樣侵蝕后的形貌

由圖2與表3可以看出：1）同檔（Al2O3含量相近）品質(zhì)下，天然鋁礬土熟料的抗鐵渣性優(yōu)于均化鋁礬土熟料的，與吸水率無關(guān)；2）對于Al2O3含量88%（w）以上的高檔天然鋁礬土熟料，吸水率高低決定著抗渣侵蝕性能的優(yōu)劣；3）對于均化礬土熟料，抗鐵渣侵蝕性隨Al2O3含量增加而增強。

2.2 顯微結(jié)構(gòu)

渣侵蝕后礬土料切塊的顯微結(jié)構(gòu)照片見圖3。從顯微結(jié)構(gòu)看，礬土料切塊中含有剛玉（灰色粒狀）、莫來石（灰色長條狀）、鈦酸鋁（灰白色）和一定量玻璃相。高Al2O3含量的TD88-A、TH88-B、JD88-C、JS88-D四種礬土均以剛玉為主晶相，莫來石相少。天然礬土TD88-A、TH88-B中玻璃相以“孤島”狀不均勻分布于剛玉相間，均化礬土JD88-C、JS88-D玻璃相彌散性均勻分布于剛玉相或與莫來石相間。均化礬土料與天然礬土料的玻璃相分布狀態(tài)差異是導(dǎo)致兩者間抗鐵渣侵蝕性差異巨大的主要原因。因此，均化礬土料無論Al2O3含量高低，均不適合在鐵溝等與熔融鐵渣接觸的部位使用。

圖3 礬土切塊的顯微結(jié)構(gòu)照片

這驗證了周寧生等［10］的研究，其研究認為剛玉質(zhì)均化料的缺陷是使賦存于不均勻狀態(tài)（晶間、粒間三角區(qū)）的低熔點物均勻分散于所有晶間，以薄膜狀液相包裹剛玉，減少了固-固結(jié)合率（或稱降低平衡二面角）。例如，以剛玉質(zhì)顆粒為主的體系中，含有少許低熔顆粒，易蝕損的只是體系的局部。倘若將其均化，將使整個體系弱化，似可比喻為“癌細胞擴散”了［1］。

3 結(jié)論

天然鋁礬土熟料抗鐵渣性優(yōu)于均化礬土熟料的，與Al2O3含量和吸水率無關(guān)。對于Al2O3含量88%（w）以上的高檔天然鋁礬土熟料，吸水率高低決定著抗渣侵蝕性能的優(yōu)劣。均化鋁礬土熟料隨Al2O3含量增加抗鐵渣侵蝕性增強，與礬土吸水率無關(guān)。玻璃相分布狀態(tài)差異是導(dǎo)致天然礬土料和均化礬土料抗鐵渣侵蝕性之間差異巨大的主要原因。綜上，均化礬土熟料無論Al2O3含量高低，均不適合在鐵溝等與熔融鐵渣接觸的部位使用。