尖晶石對剛玉－尖晶石澆注料性能的影響

王 輝 崔慶陽

(1.本溪鋼鐵集團公司;2.洛陽利爾耐火材料有限公司)

尖晶石對剛玉－尖晶石澆注料性能的影響

王 輝1崔慶陽2

(1.本溪鋼鐵集團公司;2.洛陽利爾耐火材料有限公司)

以板狀剛玉(6 mm～1 mm、1 mm～0.5 mm、0.5 mm～0 mm)、燒結(jié)尖晶石顆粒(1 mm～0.5 mm)為骨料，電熔尖晶石細粉(≤0.044 mm)、白剛玉細粉(≤0.044 mm)、α － Al2O3微粉(≤5 μm，d50=2.01 μm)、純鋁酸鈣水泥為基質(zhì)，按骨料與基質(zhì)的質(zhì)量比為70∶30配料，以燒結(jié)尖晶石顆粒和電熔尖晶石細粉分別等量代替等粒徑的板狀剛玉和白剛玉細粉。結(jié)果表明:引入6%的電熔尖晶石細粉有利于提高試樣的強度，但體積密度降低，顯氣孔率增大，抗熱震性降低;而在引入6%電熔尖晶石細粉的基礎(chǔ)上，引入燒結(jié)尖晶石顆粒，試樣的強度、體積密度持續(xù)下降，顯氣孔率上升，當燒結(jié)尖晶石顆粒引入量為6%時，抗熱震性最強。

剛玉－尖晶石澆注料 尖晶石 抗熱震性

0 前言

隨著現(xiàn)代煉鋼工業(yè)的發(fā)展，鋼包的冶煉條件日趨嚴酷，鋼包內(nèi)襯所用耐火材料的使用條件也越來越苛刻，傳統(tǒng)材質(zhì)的澆注料已無法滿足技術(shù)進步的需求。剛玉－尖晶石澆注料是近幾年發(fā)展起來的新品種，以其良好的高溫性能在大型鋼包得到了廣泛應用。

近年來對剛玉－尖晶石澆注料的研究頗多［1－2］，主要研究了純鋁酸鹽水泥、微粉、添加劑等對剛玉－尖晶石澆注料常溫及高溫性能的影響。由于該澆注料抗熱震性相對較差，使用條件比較苛刻，抗剝落性不太好，使用壽命短。尖晶石是一種合成原料，其熱膨脹系數(shù)小，氧化還原氣氛體積穩(wěn)定性好，抗SO3、堿式硫酸鹽侵蝕性強，對爐渣有選擇性吸收等優(yōu)良的理化性質(zhì)。下面筆者就不同粒度尖晶石加入量對剛玉－尖晶石澆注料常溫物理性能及抗熱震性影響進行的研究作一闡述。

1 實驗原料

實驗以板狀剛玉(w(Al2O3)≥99.5%)、燒結(jié)尖晶石(w(Al2O3)≥75%)為骨料，以白剛玉細粉(w(Al2O3)＞99.3%)、α －Al2O3微粉(w(Al2O3)＞99.5%)、電熔尖晶石細粉(w(Al2O3)≥75%)為基質(zhì)，以純鋁酸鹽水泥(w(Al2O3)≥71%)作結(jié)合劑制備剛玉－尖晶石澆注料，骨料和基質(zhì)料的質(zhì)量比固定為70∶30。實驗原料化學成分見表1。

表1 實驗原料的化學成分 wt%

以燒結(jié)尖晶石顆粒和電熔尖晶石細粉分別等量 代替相同粒度的板狀剛玉，試驗原料配比見2。

表2 澆注料的配比 wt%

2 試樣的制備及性能檢測

2.1 試樣制備

將原料按配比混合均勻后，加入減水劑和適量的水，攪拌均勻后振動成型為160 mm×40 mm×40 mm的長方體，自然養(yǎng)護24 h后脫模，在空氣中自然干燥24 h，然后在烘箱里于110℃ ×24 h干燥，經(jīng)1550℃ ×3 h燒后進行性能檢測。

2.2 性能測試

分別按 YB/T5200－1993、YB/T 5201－1993、YB/T 5203－1993測試經(jīng)110℃ ×24 h、1550℃ ×3 h處理后試樣的顯氣孔率、體積密度、抗折強度、耐壓強度、線變化率。

抗熱震性的測試按如下方法進行:將試樣在1100℃下保溫20 min后，風冷20 min，反復3次后測定其殘余抗折強度。以試樣熱震后的殘余抗折強度保持率(強度保持率=熱震后抗折強度/熱震前抗折強度×100%)來評價材料的抗熱震性。

3 結(jié)果與討論

3.1 尖晶石對試樣抗折強度和耐壓強度的影響

不同尖晶石加入量對試樣抗折強度和耐壓強度的影響如圖1所示。由圖1可以看出，隨尖晶石引入量的不同，試樣的抗折強度和耐壓強度變化趨勢基本一致。電熔尖晶石細粉含量和燒結(jié)尖晶石顆粒對110℃×24 h烘后試樣的強度影響不明顯。經(jīng)1550℃×3 h燒后試樣抗折強度隨著電熔尖晶石細粉引入量的不同變化幅度較大，當引入量為6%時試樣強度最大，電熔尖晶石細粉引入量進一步增大，強度降低。在引入尖晶石細粉6%的基礎(chǔ)之上，再以2%～8%燒結(jié)尖晶石顆粒等量代替板狀剛玉，燒后試樣強度均下降。

隨著電熔尖晶石細粉引入量的增加，燒后試樣的強度有較大波動，在燒結(jié)的過程中剛玉向尖晶石的固溶量增加，能夠有效促進試樣的燒結(jié)，試樣強度增大，當電熔尖晶石細粉引入量為6%時，強度最大;進一步增加電熔尖晶石細粉引入量時，尖晶石和剛玉之間固溶量增加，試樣結(jié)構(gòu)缺陷增多，導致強度降低。

圖1 尖晶石加入量對試樣強度的影響

在引入6%電熔尖晶石細粉的基礎(chǔ)之上，再引入2%～8%的燒結(jié)尖晶石顆粒，試樣的強度均呈明顯降低趨勢，當燒結(jié)尖晶石顆粒引入量為4%時，試樣強度較大，但隨著尖晶石顆粒引入量的增大，強度又呈減小趨勢，剛玉細粉和尖晶石顆粒之間的固溶，使得顆粒邊緣或內(nèi)部有裂紋產(chǎn)生，降低試樣的強度。

3.1 尖晶石對試樣體積密度和氣孔率的影響

不同尖晶石引入量對試樣體積密度和顯氣孔率性能的影響如圖2所示。由圖2可以看出，在澆注料中引入尖晶石，110℃ ×24 h烘后和1550℃ ×3 h燒后試樣均呈體積密度減小、顯氣孔率增大趨勢;當固定電熔尖晶石細粉引入量為6%，引入2% ～8%燒結(jié)尖晶石顆粒后，試樣體積密度更進一步減小，顯氣孔率增大。

剛玉向尖晶石中大量的固溶，使得顆粒之間存在大量微裂紋，體積密度降低，顯氣孔率增大;當在引入6%電熔尖晶石細粉的基礎(chǔ)之上，再次引入燒結(jié)尖晶石顆粒時，體積密度迅速降低，疑似是由于剛玉向尖晶石顆粒中開始固溶，使得部分顆粒外圍甚至顆粒內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，顯氣孔率增大。

圖2 尖晶石加入量對試樣體積密度、顯氣孔率的影響

3.3 尖晶石對試樣線變化率的影響

不同尖晶石引入量對試樣線變化率的影響如圖3所示。由圖3可以看出，隨著尖晶石細粉含量的增加，試樣的線變化率呈先減小后增大，當電熔尖晶石細粉引入量為8%時線變化率最小;當固定晶石細粉引入量為6%時，引入尖晶石顆粒，隨著尖晶石顆粒引入量的變化，試樣的線變化率逐漸增大。

圖3 尖晶石加入量對試樣線變化率的影響

隨著電熔尖晶石細粉量的增加，剛玉向尖晶石中有少量的固溶，有效促進試樣的燒結(jié)，線變化率減小;隨著尖晶石引入量的增加，剛玉和尖晶石之間的固溶量有所增加，導致結(jié)構(gòu)缺陷較多，剛玉顆粒之間有微裂紋存在，而呈現(xiàn)膨脹趨勢;當引入尖晶石顆粒時，在尖晶石顆粒的周圍，同樣發(fā)生剛玉和尖晶石之間發(fā)生固溶，在尖晶石顆粒邊緣甚至內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋，使得試樣線變化率增加。

3.4 尖晶石對試樣抗熱震性的影響

尖晶石引入量對試樣抗熱震性的影響如圖4所示。由圖4可以看出，隨著電熔尖晶石細粉引入量的增加，抗熱震性降低;當引入燒結(jié)尖晶石顆粒為2%時，抗熱震性迅速增強，引入量為6%時，抗熱震性最優(yōu)，而當尖晶石顆粒引入量增加至8%時，抗熱震性有所下降。

圖4 尖晶石加入量對試樣抗熱震性的影響

剛玉細粉和純鋁酸鹽水泥生成呈板狀結(jié)構(gòu)的CA6，具有良好的抗熱震性［3－4］，隨著尖晶石引入量的增大，剛玉細粉的引入量減少，生成的CA6量減小，試樣的抗熱震性有降低趨勢;當電熔尖晶石細粉的加入量固定為6%時，再引入燒結(jié)尖晶石顆粒，在尖晶石顆粒表面也發(fā)生剛玉和尖晶石之間的固溶，而導致尖晶石顆粒表面或者內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，阻擋了基質(zhì)中破壞性裂紋的進一步擴展，能夠有效的提高試樣的抗熱震性，當燒結(jié)尖晶石顆粒的引入量為6%時，抗熱震性最優(yōu)，進一步增大燒結(jié)尖晶石顆粒的含量，原因為尖晶石含量過高，在試樣中產(chǎn)生的微裂紋在熱震過程中發(fā)展成為破壞性裂紋，抗熱震性下降。

4 結(jié)論

1)當電熔尖晶石細粉，能夠有效促進試樣的燒結(jié)，當引入量為6%時強度最大;進一步增加尖晶石引入量，其抗折強度和耐壓強度均降低。

2)隨著尖晶石引入量的增加，110℃ ×24 h烘后和1550℃ ×3 h燒后試樣的體積密度下降，顯氣孔率增大。

3)適量尖晶石的引入，可改善試樣的抗熱震性，當電熔尖晶石細粉和燒結(jié)尖晶石顆粒含量均為6%時，試樣的抗熱震性最優(yōu)。

［1］ 任俊輝，任耘，張軍戰(zhàn)，等.尖晶石對剛玉－尖晶石澆注料性能的影響［J］.硅酸鹽通報，2009，28(1):90 －93.

［2］ 韓斌，王會先，趙世杰，等.尖晶石粒度對高純剛玉－尖晶石澆注料性能的影響［J］.耐火材料，2002，36(4):187 －189.

［3］ Diaz L A，Torrecillas R，Aza A H，et al.Effect of spinel content on slag attack resistance of high alumina refractory castables［J］.J Eur Ceram Soc，2007，27(16):4623 －4631.

［4］ Ko Y C，Chan C F，Effect of spinel content on hot strength of alumina－spinel castables in the temperature range 1000～1500℃［J］.J Eur Ceram Soc，1999，19(15):2633 －2639.

EFFECT OF SPINEL ON PROPERTIES OF CORUNDUM－SPINEL CASTABLES

Wang Hui1Cui Qingyang2

(1.Benxi Iron and Steel(Group)Co.，Ltd;2.Luoyang Li’er Group Refractory Materials Co.，Ltd)

Corundum －spinel castables was prepared using tabular alumina(6 mm ～1 mm，1 mm ～0.5 mm，0.5 mm～0 mm)and sintered spinel particles(1 mm ～0.5 mm)as aggregate，fused spinel powder(≤ 0.044 mm)，white fused alumina powder(≤0.044 mm)，α － Al2O3powder(≤5 μm，d50=2.01 μm)and pure calcium aluminate cement(CAC)as matrix.The mass percent of aggregate and matrix was 70:30.White alumina powder and tabular alumina were replaced by fused spinel powder and sintered spinel particles respectively.The results showed that:the introduction of 6%of fused spinel powder samples can improve the cold strength，but lower bulk density，apparent porosity increases，the thermal shock resistance decreased;on the base of the introduction of 6%of fused spinel powder，sintered spinel particles addition increase，bulk density and cold strength decreases，increased apparent porosity，when the sintered spinel particles addition is 6%，the thermal shock resistance is best.

corundum－spinel castables spinel thermal shock resistanc

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2011—4—2