臘石鋯質(zhì)磚的研發(fā)

馮昌春 王志強(qiáng) 張競奎

摘 要 以葉臘石、鋯英砂、回收廢鋯質(zhì)磚為主要原料，用以廣西泥、木質(zhì)素磺酸鈣制成的泥漿為結(jié)合劑，采用半干壓法成型制成Al2O3-SiO2-ZrO2系的電爐工作層試驗(yàn)磚，通過檢測(cè)常溫耐壓強(qiáng)度、體積密度、顯氣孔率、抗渣性能、常溫抗折強(qiáng)度、高溫抗折強(qiáng)度、抗熱震性、熱導(dǎo)率等指標(biāo)，研究在不同配比、拌料時(shí)間、燒成溫度下對(duì)產(chǎn)品性能的影響。結(jié)果表明：（1）半成品泥料的均勻程度對(duì)產(chǎn)品性能有很大的影響。（2）燒成溫度在1 200℃時(shí)，產(chǎn)品性能最穩(wěn)定，能夠達(dá)到最佳的能效比。（3）特定組成的試驗(yàn)配方在1 200℃燒成時(shí)有最好的檢測(cè)指標(biāo)，能夠得到最好的產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞 葉臘石；回收廢鋯質(zhì)磚；Al2O3-SiO2-ZrO2；電爐工作層

目前世界每年產(chǎn)生的廢鋼總量為3～4億噸，約占鋼總產(chǎn)量的45%～50%，其中85%～90%用作煉鋼原料，10%～15%用于鑄造、煉鐵和再生鋼材。采用鐵礦石煉鋼每生產(chǎn)1 噸鋼，大致需要各種原料（如鐵礦石、煤炭、石灰石、耐火材料等）4～5噸，能源折合標(biāo)準(zhǔn)煤0.7～1.0噸。而利用廢鋼作原料直接投入煉鋼爐進(jìn)行冶煉，每噸廢鋼可再煉成近1噸鋼，可以省去采礦、選礦、煉焦、煉鐵等過程，顯然可以節(jié)省大量自然資源和能源。各種煉鋼方法利用廢鋼的程度是不同的，氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼一般可用15%～25%的廢鋼，采用預(yù)熱廢鋼技術(shù)則可用廢鋼30%～40%；電弧爐煉鋼幾乎全部利用廢鋼作原料，所以電弧爐煉廢鋼是現(xiàn)在的主要發(fā)展趨勢(shì)。由于臘石磚有良好的熱震穩(wěn)定性，以及抗侵蝕性、不污染鋼水和不沾渣的特點(diǎn)，在發(fā)達(dá)國家，用電爐鋼包冶煉特殊鋼種時(shí)，會(huì)用到高硅臘石磚作為工作層，但是使用壽命較短，我們?cè)O(shè)計(jì)在工作層臘石磚中通過引入ZrO2，利用ZrO2的相變?cè)鲰g，以及微裂紋增韌原理，提高工作層的高溫性能，以期延長工作層的使用壽命。

為了節(jié)約礦物資源和能源，國內(nèi)外很多企業(yè)都在進(jìn)行用后耐火材料的回收再利用，在發(fā)達(dá)國家，很多鋼廠對(duì)用后耐火材料的再利用率達(dá)到了80%以上。近幾年隨著環(huán)保政策的實(shí)施、耐火材料市場(chǎng)競爭的加劇，國內(nèi)大部分企業(yè)都已經(jīng)在不同程度上利用用后的耐火材料。本研究通過對(duì)用后鋯磚經(jīng)過破碎加工、除雜等處理，制備成指標(biāo)穩(wěn)定的較純的再生原料，然后以該原料和臘石、鋯英砂等為主要原料制備低導(dǎo)熱系數(shù)含鋯耐火制品。該制品的性能和使用原生礦物原料的制品大致相當(dāng)，預(yù)期使用壽命較原耐材使用壽命提高50%，從而降低耐材的消耗，對(duì)礦產(chǎn)資源的綜合利用和降低工業(yè)窯爐使用過程中的能耗有重要意義。

1 試 驗(yàn)

1.1 原料

試驗(yàn)的主要原料為葉臘石顆粒、鋯英砂、回收廢鋯磚、廣西泥，其主要的化學(xué)組成見表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 原料制備

塊狀葉臘石，采用顎式破碎機(jī)破碎，篩分出我們所需要粒度的顆粒，回收廢鋯磚，揀選除雜，破碎篩分出所需要粒度的顆粒，其他用雷蒙磨制備成325目的細(xì)粉，外購的鋯英砂粒度為0.25～0.325目、廣西泥200目，廣西泥、木質(zhì)素磺酸鈣和水制備成泥漿用作結(jié)合劑。

1.2.2設(shè)計(jì)試驗(yàn)配方

根據(jù)耐火材料生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)我們?cè)O(shè)計(jì)出3種試驗(yàn)配方，配比A、 配比B、 配比C。

配料拌料，配比A、B、C各制備三組試樣，每組的拌料時(shí)間分為20min，30min，40min，然后采用電動(dòng)螺旋壓力機(jī)成型，打擊次數(shù)都為一樣，對(duì)比半成品的外觀和半成品體積密度。

將成型好的試驗(yàn)磚放入烘箱中在120℃烘12h以上，然后再放入電爐中，燒成時(shí)間為8h，根據(jù)材料的特性，設(shè)定三組不同的燒成溫度1 150℃、1 200℃、1 250℃，再對(duì)成品進(jìn)行各項(xiàng)性能指標(biāo)的檢測(cè)。

1.3 檢測(cè)方法

經(jīng)烘干和燒成后的試樣，按照GB4758.3-84檢測(cè)線變化率、GB2997-82檢測(cè)顯氣孔率和體積密度，GB5072-85檢測(cè)耐壓強(qiáng)度，GB3001-82檢測(cè)常溫抗折強(qiáng)度，GB/T3002-2004檢測(cè)試樣在1 400℃的高溫抗折強(qiáng)度。

采用靜態(tài)坩堝法測(cè)抗渣性能，試驗(yàn)用渣為電爐鋼渣，其化學(xué)組成見表2。

在坩堝試樣中裝入鋼渣，在1 550℃處理3h，自然冷卻，將坩堝縱向?qū)ΨQ切開，比較渣蝕和滲透情況，并以侵蝕指數(shù)（侵蝕面積÷坩堝孔截面積×100%）評(píng)價(jià)試驗(yàn)的抗渣性。

采用水冷法測(cè)抗熱震性。檢測(cè)烘干后的試樣在1 100℃水冷5次后的抗折強(qiáng)度，計(jì)算其強(qiáng)度保持率（熱震后抗折強(qiáng)度÷原常溫平均抗折強(qiáng)度×100%），以此評(píng)價(jià)材料的抗熱震性。

用平板導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀測(cè)試臘石鋯質(zhì)磚的導(dǎo)熱系數(shù)，再與其他電爐鋼包耐材做對(duì)比。

2 結(jié)果與討論

2.1 拌料時(shí)間對(duì)成品影響

分別拌料20min、30min、40min，采用同樣的方式成形。30min、40min半成品體密比20min高，40min的成品外觀比較光滑，30min、20min均有細(xì)小的裂紋產(chǎn)生，見表3。

裂紋詳情見圖1、圖2、圖3

拌料時(shí)間為20min、30min時(shí)，產(chǎn)品表面有裂紋產(chǎn)生，拌料時(shí)間在40min時(shí)，成品的外觀情況良好，主要原因是：臘石鋯質(zhì)磚由于采用了鋯英石和葉臘石英，因而在燒成過程中極易產(chǎn)生開裂。主要是由于氧化鋯在高溫下發(fā)生晶形變化，產(chǎn)生體積膨脹，且葉臘石在高溫下分解生成二氧化硅和莫來石，產(chǎn)生體積膨脹，從而極易開裂。會(huì)造成生產(chǎn)效率低、成品合格率低、產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)大。采用的應(yīng)對(duì)措施：鋯英石選用0.25～0mm、0.044mm以下兩種粒級(jí)，廢鋯磚粉磨成325目，讓顆粒間的間隙吸收部分體積膨脹，降低燒成時(shí)的開裂風(fēng)險(xiǎn)?；炝媳仨殬O其均勻，所以為確保泥料的均勻性，采用沒有死角的底盤旋轉(zhuǎn)高壓力式混碾設(shè)備，并延長混料時(shí)間到40min。

拌料時(shí)間越長，半成品體積密度越高，原料的混合越均勻，成型性能越好，泥料能夠達(dá)到最緊密堆積的效果，這樣成型體密將會(huì)更好，氣孔率更低。

2.2 燒成溫度對(duì)成品影響

燒成溫度為1 150℃時(shí)，成品顏色偏白，而且常溫耐壓強(qiáng)度只有50MPa左右，證明成品燒成溫度較低，沒有燒透。1 200℃時(shí)，成品顏色正常，表面光潔程度較高，常溫耐壓強(qiáng)度在80MPa以上，燒結(jié)狀況良好。1 250℃時(shí)，成品顏色正常，耐壓強(qiáng)度也較高，不過磚的表面有少許低熔物溢出，證明燒成溫度過高，見圖4。

燒成溫度選擇1 200℃時(shí)能夠有最好的產(chǎn)品，1 150℃燒成時(shí)，已經(jīng)出現(xiàn)莫來石化，但溫度較低，莫來石化反應(yīng)不完全，所以導(dǎo)致產(chǎn)品沒有燒透，強(qiáng)度較低。1 200℃時(shí)，莫來石化反應(yīng)比較完全，產(chǎn)品表面較光滑，燒結(jié)情況比較理想。1 250℃燒成時(shí)，由于原料中引入的一些雜質(zhì)，有低熔相的生成，所以在磚的表面產(chǎn)生黑色的熔洞或者熔點(diǎn)，雖然性能指標(biāo)上影響不大，但導(dǎo)致產(chǎn)品的外觀受到影響，而且燒成溫度過高，浪費(fèi)能源就多，所以為了減少生產(chǎn)成本，燒成溫度設(shè)置為1 200℃是比較合理的。

選取拌料時(shí)間為40min，燒成溫度為1 200℃的各組試樣進(jìn)行各項(xiàng)性能檢測(cè)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，檢測(cè)結(jié)果見表4。

由表4可以明顯看出配比B相對(duì)于A、C，具有較低的氣孔率、較好的抗渣侵蝕性和抗熱震性。

高溫下，液態(tài)的渣對(duì)渣線部位耐材進(jìn)行滲透，在沒有其他反應(yīng)發(fā)生的情況下，侵蝕主要是由滲透引起的，氣孔率較低時(shí)，抗?jié)B透情況較好，所以B相對(duì)于A、C有較好的抗渣侵蝕性能。由于在原料中引入ZrO2，而ZrO2在1 000℃的高溫下由四方晶系轉(zhuǎn)化為單斜晶系，相應(yīng)的產(chǎn)生1%～2%的線膨脹，會(huì)在試樣中形成一定量的微裂紋，這樣會(huì)達(dá)到相變?cè)鲰g和微裂紋增韌的效果。所以配比A、配比B都有比較好的抗熱震性，配比C中引入了廢鋯磚顆粒，由于顆粒尺寸較大，相變產(chǎn)生的裂紋太大，起不到微裂紋增韌的效果，所以抗熱震性能較低。

電爐鋼包工作層臘石磚的導(dǎo)熱系數(shù)平均為0.8 W/（m.K），相對(duì)于普通鎂質(zhì)碳磚的10～20W/（m.K）已經(jīng)很低，保溫性能比較好，能夠減少電爐煉鋼中能量的消耗，能起到節(jié)能環(huán)保的作用，而臘石鋯質(zhì)磚的導(dǎo)熱系數(shù)在0.9～1.0W/（m.K）之間，略高于工作層蠟石磚，節(jié)能環(huán)保。

通過成分分析可以發(fā)現(xiàn)，臘石鋯質(zhì)磚的主要成分Al2O3、SiO2、ZrO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和占總量的99%以上。這樣使得電爐鋼包在使用過程中引入的雜質(zhì)降到最少，能夠起到提升鋼水品質(zhì)的作用。

3 結(jié) 論

（1）在生產(chǎn)臘石鋯質(zhì)磚的時(shí)候，拌料方式與拌料時(shí)間對(duì)產(chǎn)品性能有很大的影響，為了保證泥料的高度均勻性，必須選擇合適的拌料設(shè)備和合理的拌料時(shí)間。

（2）燒成溫度的選擇對(duì)臘石鋯質(zhì)磚的性能很重要，過高或者過低都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的性能受到影響。本試驗(yàn)合適的燒成溫度為1 200℃，燒成時(shí)間為8h。

（3）使用廢鋯磚時(shí)，為了使產(chǎn)品有更好的性能，顆粒料必須選擇1～0的顆粒，細(xì)粉采用325目，鋯英砂為0.25～0的顆粒和325目細(xì)粉。產(chǎn)品的氣孔率對(duì)抗渣性能的影響很大，成品有較高的體積密度和較低的氣孔率時(shí)將有較好的使用性能。

（4）臘石鋯質(zhì)磚使用過程中，節(jié)能效果與使用工作層臘石磚相當(dāng)，且在電爐煉鋼過程中引入的雜質(zhì)較其他材料更少，能夠起到提升鋼水品質(zhì)的作用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]皺大鵬.尖晶石一氧化鋯復(fù)合材料的制備與性能[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào).2009.5.31-2

[2]徐延慶，葉國田.水泥回轉(zhuǎn)窯用含ZrO2耐火材料[J].耐火材料，2003，37（2）：105—107

[3]季照雄，淺談葉臘石的開發(fā)應(yīng)[J].西部探礦工程.2003（6）：852

[4]徐延慶，葉國田.水泥回轉(zhuǎn)窯用含ZrO2耐火材料[J].耐火材料.2003，37（2）：105-107

[5]程本軍，楊彬，王金相，等.MgO—ZrO2材料的抗侵蝕性能研究[J].耐火材料.2004，38（1）：15-17