耐火材料行業(yè)動態(tài)

改變尖晶石和方鎂石配比提高鋁鎂質(zhì)澆注料抗渣滲透效果

日期： 2022-01-20 作者： 超級管理員 熱度：1018 ℃

摘要：采用電熔白剛玉、板狀剛玉、電熔鎂鋁尖晶石為主要原料，改變尖晶石和方鎂石的配比制備了三組鋁鎂質(zhì)鋼包澆注料。結(jié)合試樣的體積密度、氣孔率、強(qiáng)度等性能指標(biāo)，加入轉(zhuǎn)爐渣采用靜態(tài)坩堝法研究了尖晶石和方鎂石不同配比對鋁鎂質(zhì)鋼包澆注料抗渣性能的影響，測量并計(jì)算試樣的侵蝕指數(shù)和滲透指數(shù)。結(jié)果表明：當(dāng)尖晶石含量為8%(w)，電熔鎂砂含量為4%(w)時，原位生成的鎂鋁尖晶石以及微量的膨脹對提高抗渣滲透性效果最好，滲透平均深度為4～5mm。

70年代，鋼包僅作為輸送鋼水的容器，因而使用廉價(jià)的酸性耐火材料，并逐漸過渡到高鋁磚耐火材料等?，F(xiàn)在，鋼包已經(jīng)成為重要的精煉設(shè)備，因而堿性磚成為鋼包內(nèi)襯重要的耐火材料，并且以不同的施工方法配合使用，例如渣線用MgO-C磚，在包底和包壁用鋁鎂質(zhì)澆注料[1,2,3,4]。渣線部位的使用條件特別苛刻，其內(nèi)襯損毀也最為嚴(yán)重。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)特別注意鋼渣對耐火材料的損毀。

鋼渣對耐火材料的損毀主要分兩個方面[5]，一是侵蝕，二是滲透。當(dāng)渣滲入到磚中，在磚內(nèi)形成變質(zhì)層，變質(zhì)層與未變質(zhì)層在使用過程中不斷的冷熱溫度交換，膨脹系數(shù)的差異導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋并出現(xiàn)結(jié)構(gòu)剝落。因此鋼包澆注料主要要強(qiáng)化基質(zhì)，減少渣的滲透，減弱變質(zhì)層的形成。

試驗(yàn)

1.1原料及試驗(yàn)方案

所用骨料為粒度8～5、5～3、3～1和≤1mm的電熔白剛玉，w(Al?O?)=98.5%;1～0mm的板狀剛玉，w(Al?O?)=98.5%;≤0.074mm鎂鋁尖晶石微粉，w(Al?O?)=78.5%,w(MgO)=20%;≤0.088mm電熔鎂砂粉，w(MgO)=96.5%;≤3μm的α-Al?O?微粉，w(Al?O?)=98.5%;純鋁酸鈣水泥，w(Al?O?)=70%,w(CaO)=29%。

按照電熔白剛玉骨料55%(w)，板狀剛玉骨料10%(w)，剛玉細(xì)粉、鎂砂粉、鎂鋁尖晶石微粉和α-Al?O?微粉32%(w)，鋁酸鈣水泥3%(w)進(jìn)行配料，改變鎂砂和尖晶石的含量，詳見表1。

表1試樣配制

1.2試驗(yàn)過程和性能檢測

將配好的試樣振動澆注在40mm×40mm×160mm的模具內(nèi)，自然養(yǎng)護(hù)24h脫模，經(jīng)110℃保溫24h、1000℃保溫3h、1600℃保溫3h熱處理后測定其性能，采用靜態(tài)坩堝法進(jìn)行渣蝕試驗(yàn)。沿試樣成型方向，在試樣頂面的中心鉆取深度40mm、內(nèi)徑上下分別為38mm、33mm的孔，制成坩堝，振動成型經(jīng)110℃保溫24h烘烤后在每個坩堝中放入50g渣(渣的化學(xué)組成(w)為：Fe?O? 24.97%,Al?O? 6.63%,CaO 16.13%,SiO? 9.47%,TiO? 1.1%,MnO? 0.2%,Na?O 0.05%,K?O 0.01%)，放入1600℃電爐內(nèi)燒結(jié)并保溫3h，自然冷卻后沿坩堝截面切開，測量渣蝕面積和滲透面積，分別計(jì)算渣蝕指數(shù)(渣蝕面積/原凹槽軸截面積×100%)和滲透指數(shù)(滲透面積/原凹槽軸截面積×100%)。

結(jié)果與分析

2.1物理性能

不同尖晶石和鎂砂加入量澆注料的試樣在110、1000、1600℃的氣孔率、體積密度、強(qiáng)度見表2，各試樣抗渣侵蝕后的宏觀圖片見圖1，各試樣侵蝕和滲透指數(shù)見圖2。

表2 各溫度下不同試樣的物理性能

從表2中可以看出，隨著鎂砂的增加，尖晶石微粉的減少，試樣A、B各溫度段抗折和耐壓強(qiáng)度均高于試樣C，中低溫度段三種試樣強(qiáng)度相差不大，高溫段相差較明顯。1600℃燒后線變化，三種試樣隨鎂砂含量的增大膨脹量逐漸增加，A試樣殘余膨脹0.48%最小，氣孔率較低，體積穩(wěn)定性高;而C試樣為1.13%，殘余膨脹最大。

2.2渣侵蝕后試樣的宏觀觀察及渣蝕指數(shù)

試樣的抗渣剖面圖見圖1?？梢钥闯觯喝N試樣渣侵蝕后外形完整，無明顯熔蝕跡象，在1600℃燒后以熔渣滲透為主，渣滲入部位由黑色變?yōu)樽厣?，過渡帶由內(nèi)向外逐漸變淺。剩余渣在凹槽內(nèi)呈圓柱形收縮在中間。試樣A產(chǎn)生了橫縱裂紋，高溫下渣逐漸滲透其裂紋內(nèi)部，內(nèi)部殘?jiān)坎欢?，抗侵蝕性一般。試樣B渣對坩堝的滲透相比試樣A、C的滲透層較淺，殘?jiān)枯^試樣A相比多一些。試樣C由于體積膨脹較大，內(nèi)部氣孔較高，渣通過氣孔侵入到基質(zhì)內(nèi)部，高溫下通過液相擴(kuò)散，使?jié)B透層產(chǎn)生裂紋和結(jié)構(gòu)疏松，坩堝內(nèi)部殘?jiān)枯^試樣A、B的多。

圖1 不同試樣抗渣試驗(yàn)剖面

試樣對渣蝕與滲透的影響見圖2。

圖2 不同試樣對渣蝕與滲透的影響

從圖2中可以看出，隨著鎂砂的增加，抗侵蝕指數(shù)逐漸增加，抗?jié)B透指數(shù)先減少后增加。一方面是鎂砂中的MgO與Al?O?反應(yīng)原位生成尖晶石產(chǎn)生體積膨脹，過量的鎂砂MgO固溶到尖晶石中。1600℃燒后C試樣鎂砂含量高，合成尖晶石產(chǎn)生的膨脹最大，過量的膨脹卻會導(dǎo)致澆注體的高氣孔率、低強(qiáng)度，造成渣很容易滲入基質(zhì)中產(chǎn)生熱剝落;另一方面渣中的FeO、MnO可以與尖晶石形成固溶體：FeO+MnO+MA→(Fe,Mn,Mg)O·(Fe,Al)?O?。使熔渣中的SiO2富余而變得非常粘稠。由于渣滲透深度(L)取決于方程式：，式中，σ為熔渣表面張力，為澆注體氣孔半徑，t為渣滲透時間，為澆注體與渣之間的接觸角，為熔渣粘度。由此可以推斷L與成反比?；|(zhì)中的Al?O?能捕捉渣中的CaO，尖晶石加入到澆注料中，能固溶渣中的FeO和MnO，這可提高熔渣粘度和熔點(diǎn)，抑制熔渣滲透，這兩種作用可使抗熔渣滲透性的下降抑制在最小的程度之內(nèi);另外，隨著MgO含量增加，合成鎂鋁尖晶石中MgO、Al?O?比值越大，其抗侵蝕能力就越高，所以試樣C抗侵蝕指數(shù)較試樣A、B的高。試樣C中的MgO含量較高，膨脹較大，適量的膨脹產(chǎn)生微裂紋可以阻止裂紋的擴(kuò)展，但過量的膨脹產(chǎn)生體積增加，會失去控制熔渣滲透的作用，造成熔渣滲入基質(zhì)中產(chǎn)生熱剝落，導(dǎo)致試樣C的滲透指數(shù)高。通過蝕損機(jī)制研究得出[8]，由于熔渣與鋼包工作襯反應(yīng)形成了一個保護(hù)帶，可使內(nèi)襯不再被熔渣所侵蝕。在這個保護(hù)層帶中，與內(nèi)襯接觸的熔渣中大部分氧化鐵和氧化錳固溶到尖晶石晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)形成固溶體。熔渣中的氧化鐵同Al?O?反應(yīng)生成鐵鋁尖晶石所引起的膨脹并不顯著。雖然由于渣中的CaO同Al?O?反應(yīng)生成CA6會產(chǎn)生很大的膨脹，但卻被熔渣中的CaO和SiO?同Al?O?反應(yīng)生成鈣鋁黃長石或鈣長石等低熔點(diǎn)的礦物反應(yīng)給均衡了。因此，鋼包工作襯同熔渣反應(yīng)生成高熔點(diǎn)和低熔點(diǎn)礦物的這種結(jié)合，為鋼包工作襯提供了一個熱面保護(hù)層，從而使鋼包工作襯的進(jìn)一步侵蝕減至最少。

此外，當(dāng)熔渣的化學(xué)成分滲透入耐火材料中并與之反應(yīng)時，被滲透的區(qū)域主晶體結(jié)合下降，而且很容易被沖擊流所沖蝕，這就會導(dǎo)致耐火材料進(jìn)一步暴露，而使未被滲透部分受到化學(xué)侵蝕。相反，在沒有機(jī)械作用消除被滲透部分，由于熱溫度梯度，化學(xué)侵蝕將逐漸變得緩慢并停止。在熱循環(huán)過程中卻會導(dǎo)致滲透層從未被滲透層剝落，因此鋼包澆注料結(jié)構(gòu)剝落會受滲透深度的限制。鋼包澆注料不同的部位要求也不同，包壁澆注料受到金屬包殼的控制，實(shí)際應(yīng)用中不會發(fā)生自由膨脹為了較高的使用壽命，要選用高溫處理后線膨脹率低的Al?O?-MgO質(zhì)澆注料，同時不剝落、耐侵蝕。包底與包壁不同，包底的約束力小，高膨脹材料由于存在膨脹上浮的缺點(diǎn)，難以應(yīng)用于此處。為了防止拱起和抑制熔渣滲透，體積穩(wěn)定性高、熱震性好的剛玉-尖晶石質(zhì)澆注料成為包底應(yīng)用的首選材料。目前B組配方已成功應(yīng)用于某國內(nèi)大型鋼廠110t鋼包包壁部位，平均使用壽命為180～200爐，其中LF精煉30爐，包壁殘厚70mm。

結(jié) 論

澆注料的抗渣侵蝕性與抗?jié)B透性往往是相互矛盾的，要根據(jù)具體的使用條件權(quán)衡抗侵蝕性和抗?jié)B透性。在本試驗(yàn)中，電熔鎂砂粉加入量為4%(w)，電熔鎂鋁尖晶石微粉加入量8%(w)時，鋁鎂質(zhì)鋼包澆注料的抗渣效果較好。

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