超低水泥鐵溝澆注料的研究及工業(yè)化應(yīng)用

李德民，楊 強(qiáng)，王義龍，張宏進(jìn)，涂軍波

（1.唐山市國(guó)亮特殊耐火材料有限公司，河北 唐山 063021；2.華北理工大學(xué)材料學(xué)院，河北 唐山 063009）

現(xiàn)階段高爐大多使用氧化鋁-碳化硅-碳質(zhì)鐵溝澆注料，隨冶煉技術(shù)的進(jìn)步，一次通鐵量從最初幾萬(wàn)噸增長(zhǎng)到十幾萬(wàn)噸，這對(duì)鐵溝料的性能也提出了更高的要求，出鐵溝侵蝕最快的部位是沖擊區(qū)部位，除熱震、鐵水沖刷、氧化外，鐵溝損毀主要是鐵水與鐵渣的高溫侵蝕。鐵水冶煉過(guò)程中會(huì)生成較多的二氧化硅，氧化鈣（其中氧化鈣的主要來(lái)源就是水泥）、二氧化硅和氧化鋁會(huì)共同反應(yīng)形成鈣長(zhǎng)石、鈣黃長(zhǎng)石（使用溫度下為液相）或鋁酸鈣等低熔相，這些低熔相很大程度地降低了鐵溝料的高溫使用性能，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的抗侵蝕性，進(jìn)而影響使用壽命，低熔相生成的同時(shí)還會(huì)消耗作為基質(zhì)的氧化鋁微粉，基質(zhì)被消耗侵蝕后，起骨架作用的骨料顆粒也會(huì)隨之松動(dòng)剝落，從而使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)遭到破壞。目前，高爐鐵溝大多采用以高純鋁酸鈣水泥為結(jié)合劑的氧化鋁-碳化硅-碳質(zhì)澆注料，不可避免地引入氧化鈣，從而在高溫使用過(guò)程中形成低熔相，如果不使用水泥，只采用氧化鋁微粉和硅微粉等超微粉結(jié)合，常溫脫模強(qiáng)度又較低，滿足不了施工要求，雖然有報(bào)道采用ρ-Al2O3結(jié)合（水硬性氧化鋁），溶膠凝膠（硅與鋁）結(jié)合制得鐵溝澆注料，但在現(xiàn)場(chǎng)施工中存在凝固快和控制困難等問(wèn)題，因此并沒(méi)有得到普遍的應(yīng)用，水泥還是現(xiàn)階段鐵溝料主要的結(jié)合劑[1-8]。因此，研制超低水泥結(jié)合的Al2O3-SiC-C 鐵溝澆注料，配合超微粉，在保證常溫脫模強(qiáng)度的前提下，盡可能地減少氧化鈣的引入，既保證澆注成型、脫模后不損毀，又通過(guò)減少澆注料在高溫下的低熔物來(lái)提高材料的高溫強(qiáng)度和使用性能，可以很好的抵抗鐵水和熔渣的侵蝕，從而延長(zhǎng)鐵溝的使用壽命。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原 料

試驗(yàn)主要原料有：電熔棕剛玉，白剛玉，碳化硅，硅微粉、球?yàn)r青、塞卡71水泥、金屬硅粉，活性Al203微粉，主要原料化學(xué)組成見(jiàn)表1。

表1 主要原料化學(xué)組成 %

1.2 試樣制備

以棕剛玉、白剛玉為主料，以白剛玉、碳化硅、氧化鋁等為基質(zhì)，以水泥為結(jié)合劑，逐漸增加水泥含量，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、0.4%、0.6%、1%、1.5%，差值用白剛玉粉補(bǔ)足，制備成澆注料分別標(biāo)記為1#、2#、3#、4#、5#，具體試樣配比見(jiàn)表2。

表2 配方主要原料組成 %

按照表2所示配方配料，將配好的物料干混60 s，加入相同量的水（滿足施工要求為標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)加入4.5%）后再濕混120 s。將物料攪拌均勻，在振動(dòng)臺(tái)上震動(dòng)成型，制得尺寸為40 mm×40 mm×160 mm 的長(zhǎng)條試樣，經(jīng)過(guò)常溫帶模養(yǎng)護(hù)24 h后，脫模，之后在110℃恒溫烘箱中干燥24 h，然后分別在空氣氣氛下，加熱到1 500 ℃，并保溫3 h燒成，然后，隨爐自然冷卻到室溫。

1.3 性能檢測(cè)

按照 GBT5072—2008、GBT2997—2000 對(duì)干燥后和燒成后試樣的體積密度和顯氣孔率進(jìn)行測(cè)量，按照YB/T5201—1993對(duì)試樣的耐壓強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，按照GB/T3002—1982檢測(cè)試樣的高溫抗折強(qiáng)度（空氣氣氛，1 450 ℃保溫1 h）。用掃描電鏡EVO18 觀察試樣的高溫抗折斷口的顯微結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 對(duì)澆注料體積密度和顯氣孔率的影響

不同溫度熱處理后試樣的體積密度和顯氣孔率隨水泥加入量的變化情況如圖1所示。從圖1（a）中可以看出，澆注料在經(jīng)過(guò)110 ℃保溫24 h處理后，氣孔率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)；經(jīng)過(guò)1 500 ℃保溫3 h處理后，氣孔率呈現(xiàn)逐漸增高的趨勢(shì)；從圖1（b）可以看出，澆注料在經(jīng)過(guò)110 ℃保溫24 h后，體積密度呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)；澆注料在經(jīng)過(guò)1 500 ℃保溫3 h 后，體積密度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)；這是因?yàn)椋弘S著水泥引入量的增大，形成的水化產(chǎn)物量增加，常溫氣孔率下降，體密逐漸增大；溫度升高時(shí)，水化產(chǎn)物相脫水產(chǎn)生氣孔，使得材料結(jié)構(gòu)疏松，結(jié)構(gòu)致密性降低，所以高溫后氣孔率增加，體積密度逐漸減小。

2.2 對(duì)澆注料常溫冷態(tài)強(qiáng)度的影響

不同溫度熱處理后試樣的冷態(tài)抗折耐壓強(qiáng)度隨水泥加入量的變化見(jiàn)圖2?？梢钥闯觯弘S著水泥加入量的增加，110 ℃干燥后試樣的冷態(tài)常溫抗折強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度均增大；1 500 ℃燒后試樣的冷態(tài)抗折強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度均減小。影響試樣強(qiáng)度的因素較多，包括致密度、物相組成、顯微結(jié)構(gòu)等。干燥及燒后試樣的冷態(tài)強(qiáng)度隨水泥加入量變化的原因，分析可能是隨著溫度提高，水泥的水化相脫水會(huì)產(chǎn)生氣孔，使得材料結(jié)構(gòu)致密度降低，所以高溫冷態(tài)抗折耐壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。

2.3 對(duì)澆注料高溫抗折強(qiáng)度的影響

水泥加入量對(duì)澆注料高溫抗折強(qiáng)度的影響如圖3所示。從圖3可看出，隨著水泥加入量的增加，試樣的高溫抗折強(qiáng)度逐漸減小，當(dāng)水泥加入量超過(guò)1%時(shí)，高溫抗折強(qiáng)度下降幅度增大，這是因?yàn)樗嗉尤肓刻岣撸邷叵聲?huì)形成鈣黃長(zhǎng)石等低熔物含量增多，使得高溫抗折強(qiáng)度下降。圖4是添加水泥1.5%試樣高溫抗折斷口顯微結(jié)構(gòu)照片，圖4中可以看出低共熔相形成較多，莫來(lái)石結(jié)合相較細(xì)??；圖5是添加0.6%水泥試樣的高溫抗折斷口顯微照片，可見(jiàn)試樣中低共熔相形成很少，形成發(fā)育良好的莫來(lái)石晶相，莫來(lái)石晶相對(duì)澆注料高溫抗折強(qiáng)度的改善是非常有利的。

圖1 不同含量水泥試樣的顯氣孔率和體積密度

圖2 不同含量水泥試樣的冷態(tài)抗折及耐壓強(qiáng)度

圖3 不同含量水泥試樣的高溫抗折強(qiáng)度

圖4 水泥加入1.5%配方高溫試樣斷口的顯微結(jié)構(gòu)照片

圖5 水泥加入0.6%配方高溫試樣斷口的顯微結(jié)構(gòu)照片

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，水泥加入量太少，常溫脫模強(qiáng)度得不到保證，加入量高，高溫性能會(huì)變差。綜合上述性能，水泥在Al2O3-SiC-C鐵溝澆注料中最佳加入量為0.6%。

3 工業(yè)試驗(yàn)和應(yīng)用

在實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，將添加水泥0.6%的方案在某鋼鐵公司進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。其高爐容量為1 080 m3，其主溝到小坑長(zhǎng)14.5 m，渣溝11 m，共用料73 t，其中主溝用49 t，使用至下次套拆，共使用84 天出鐵量約16.5萬(wàn)t，取得了較好的使用效果。

4 結(jié) 論

（1）減少水泥加入量，能提高鐵溝澆注料的高溫性能，主要原因是減少低共熔物鈣黃長(zhǎng)石的生成，在澆注料中生成交錯(cuò)網(wǎng)狀莫來(lái)石晶體從而提高高溫性能。水泥加入量為0.6%時(shí)，澆注料綜合性能較好。

（2）在此基礎(chǔ)上生產(chǎn)的鐵溝澆注料，取得較好的工業(yè)試驗(yàn)效果。