主要原料和結合劑

不燒鋼包磚在使用過程中,其熱面緩慢燒結,在自身發(fā)生一系列化學反應的同時,還受到渣中組分的侵蝕,生成新的礦相,致使耐火磚的結構發(fā)生變化,而磚冷端的物相及結構幾乎不變,這樣在磚的冷熱面之間就產(chǎn)生熱應力和結構應力,從而產(chǎn)生裂紋。在鋼包冷熱交替以及鋼包渣和鋼水不斷滲透、侵蝕的情況下,磚中裂紋不斷擴展,隨著渣的滲透、侵蝕以及鋼水熱沖擊磨損的不斷作用,最終造成磚的剝落,嚴重影響了鋼包磚的壽命。而抑制剝落的主要措施是提高磚的抗熱震性、抗渣滲透和侵蝕性?？煽紤]在無碳不燒磚的基質(zhì)中預加一部分尖晶石(MA),使鎂砂和活性氧化鋁微粉以此尖晶石為晶核,在使用過程中發(fā)生尖晶石化反應,生成MA-MA結合相,從而使不燒磚在高溫使用過程中能夠均勻逐步燒結致密化、高強化,并產(chǎn)生類似于鎂鋁尖晶石燒成磚的顯微結構,以達到抗渣蝕損和耐剝落的目的。

另外,為防止使用過程中包襯夾鋼和鋼包渣沿磚縫侵蝕,要求無碳鋼包磚在高溫下應具有一定的膨脹率,這可通過加入一定量的電熔鎂砂與Al2O3反應生成鎂鋁尖晶石伴隨的膨脹來實現(xiàn)。因此,研制的無碳鋼包磚選擇棕剛玉、電熔白剛玉、電熔鎂砂等為主要原料,同時還在基質(zhì)中引入以剛玉粉、電熔尖晶石和活性氧化鋁微粉等共磨至一定細度的自制活性復合尖晶石微粉。

選用的結合劑有磷酸鹽、SiO2微粉、輕燒MgO粉、鹵水和亞硫酸紙漿廢液。

試驗方案

配方設計以Andreassen顆粒堆積理論為基礎,采用棕剛玉、電熔白剛玉及電熔鎂砂作骨料,其臨界顆粒尺寸為5mm;細粉則以剛玉細粉、電熔鎂砂粉及活性復合尖晶石微粉等為主。

試驗設計的基礎配方(w)是:≤5mm的棕剛玉50%,白剛玉顆粒(≤3mm)和細粉(≤0.044mm)共25%,電熔鎂砂顆粒(≤2mm)和細粉(≤0.074mm)共4%,自制活性復合微粉20%,添加劑1%,結合劑4%。首先進行在基礎配方條件下結合劑的選擇試驗,分別采用單獨加入磷酸鹽、輕燒MgO粉、亞硫酸紙漿廢液以及復合加入SiO2微粉+鹵水和SiO2微粉+亞硫酸紙漿廢液的形式加入結合劑;然后在選定的結合劑和基礎配方條件下進行鎂砂加入量(質(zhì)量分數(shù)分別為1%、2%、3%、4%、5%、6%)和復合尖晶石微粉加入量(質(zhì)量分數(shù)分別為0、10%、15%、20%、25%)的選擇試驗。

試樣制備和性能測試

按試驗方案配料后進行混料?；炝蠒r先將顆粒料混合均勻后加入結合劑混練3～5min,再加入預混好的細粉繼續(xù)混18min左右出料,采用630t摩擦壓力機成型,成型試樣自然干燥24h后,于200℃12h烘干,然后分別進行1000℃3h和1600℃3h熱處理,并按相關標準檢測不同條件熱處理后試樣的體積密度、顯氣孔率、燒后線變化率、耐壓強度、抗折強度、抗熱震性(以1100℃?水冷熱震3次后的殘余抗折強度和強度保持率來表征)。

結合劑的確定

由于無碳不燒鋼包磚沒有進行高溫燒成,只經(jīng)過200℃12h熱處理,而在其搬運、包裝、運輸和砌筑過程中,需保持一定的強度,為安全考慮,要求其常溫耐壓強度大于30MPa,因此選用合適的結合劑非常關鍵。表2示出了幾種結合劑對無碳鋼包磚性能的影響。從中可以看出,除了磷酸鹽和亞硫酸紙漿廢液結合的無碳鋼包磚的強度不符合要求外,另外三種結合劑結合的試樣都達到要求。但由于輕燒MgO粉貯存期短,活性不易控制,質(zhì)量難以保證,而SiO2微粉+鹵水做結合劑的試樣各項指標明顯優(yōu)于SiO2微粉+亞硫酸紙漿廢液做結合劑的,因此,最終決定采用SiO2微粉加鹵水復合方式作為所研制無碳鋼包磚的結合劑。

加入鎂砂對無碳鋼包磚燒后線變化率的影響

鎂砂粒度越細,與Al2O3形成尖晶石的反應速度則越快,反之越慢。同時,增大鎂砂的臨界粒度,渣在材料中的滲透深度增大,蝕損量逐漸減少。因此,加入一定量的粗顆粒鎂砂對避免大量、快速生成尖晶石,減少反應膨脹有利,從而有利于避免不燒鋼包磚在高溫使用中產(chǎn)生的龜裂和剝落。所以,為了避免無碳鋼包磚在使用過程中劇烈膨脹和后期過燒結,鎂砂采用顆粒和細粉配合的方式。

在活性復合尖晶石微粉加入量不變的情況下,加入不同量電熔鎂砂的無碳鋼包磚在1600℃3h燒后的線變化率。由圖1可以看出,鎂砂加入質(zhì)量分數(shù)為3%時,無碳鋼包磚中產(chǎn)生了輕微的膨脹,加入質(zhì)量分數(shù)大于4%以后,燒后線膨脹增加明顯。眾所周知,對鋼包磚而言,燒后線收縮過大,則磚縫太大,會產(chǎn)生鉆鋼現(xiàn)象;而燒后膨脹過大,則應力較大,易引起結構剝落。因此,本試驗中適宜的鎂砂加入質(zhì)量分數(shù)應為4%。

加入活性復合尖晶石微粉對無碳鋼包磚性能的影響

在基質(zhì)中通過調(diào)整鎂砂細粉和剛玉細粉加入量以保持MgO含量不變的情況下,活性復合尖晶石微粉加入量對試樣抗熱震性能的影響。隨著活性復合尖晶石微粉加入量的增加,試樣的抗熱震性呈先改善后變差的趨勢。與試樣強度變化相似,在復合微粉加入質(zhì)量分數(shù)≤20%時,可使試樣的抗熱震性能得以改善,但加入質(zhì)量分數(shù)加入質(zhì)量分數(shù)為25%時,試樣的抗熱震性能又明顯變差;復合微粉加入質(zhì)量分數(shù)為15%和20%時,試樣的抗熱震性較好。這是因為,在高溫下基質(zhì)中所生成的連續(xù)的尖晶石相充填于顆粒之間,在復合微粉加入量適量時,生成適量的尖晶石相,產(chǎn)生適量的微裂紋,可以有效地緩沖熱應力,從而改善材料的抗熱震性能;但復合微粉加入量過多時,高溫下產(chǎn)生的原位尖晶石過多,伴隨的體積膨脹也較大,造成基質(zhì)結構疏松,使基質(zhì)結合強度下降,導致材料的抗熱震性能降低。因此,本試驗中活性復合尖晶石微粉的適宜加入質(zhì)量分數(shù)為20%。

研制的無碳鋼包磚在1000℃處理后呈微膨脹,且強度較高,說明MgO在1000℃下就開始與Al2O3反應生成尖晶石,增大了基質(zhì)結合強度,有利于抵抗熱應力引起的熱剝落;1600℃處理后,無碳磚的顯氣孔率降低,說明磚中形成了致密均勻的結構,這有利于提高其抗渣滲透性,減少結構剝落。