莫來石種類對脫硫噴槍用澆注料性能的影響

李 超，陳 煜，彭德江，李 強，李 華

（焦作金鑫恒拓新材料股份有限公司，河南 焦作 454450）

鐵水噴吹脫硫預(yù)處理是提高鐵水質(zhì)量、增加鋼材品種的重要工藝手段，脫硫噴槍是鐵水噴吹預(yù)處理設(shè)備的重要組成部分。脫硫噴槍主要由中間的槍芯和槍芯上覆蓋的耐火澆注料組成，耐火澆注料主要是莫來石質(zhì)澆注料。莫來石質(zhì)澆注料優(yōu)良的熱震穩(wěn)定性正是脫硫噴槍用耐火材料所需要的，莫來石質(zhì)澆注料以莫來石為主原料，以純鋁酸鈣水泥為結(jié)合劑，添加適量的Al2O3微粉和SiO2微粉增強基質(zhì)，添加適量的紅柱石進一步增強熱震穩(wěn)定性，并且在生產(chǎn)過程中添加適量的有機纖維和鋼纖維，進一步增強其使用性能。

莫來石在自然界很罕見，因此工業(yè)用莫來石一般采用人工合成的方法獲得。莫來石的合成工藝途徑有兩種，即電熔法合成和燒結(jié)法合成；又因采用原料種類不同，分為氧化鋁基合成莫來石和礬土基合成莫來石。本文選用公司A的FM70電熔莫來石、公司B的SM70-1高純燒結(jié)莫來石和公司C的SM70-2普通燒結(jié)莫來石，研究莫來石種類對脫硫噴槍用澆注料性能的影響。

1 試驗

1.1 原料

試驗原料化學(xué)成分見表1，三種莫來石的莫來石相含量見表2。

表1 原材料的化學(xué)成分 （w%）

表2 三種莫來石的莫來石相含量 （%）

1.2 試驗配方及制樣過程

按照表3的配方設(shè)計配料，變量為骨料和基質(zhì)中莫來石。放入強制式攪拌機中先干混2 min；然后加入適量的水，以保證各澆注料的流動性基本相同，再濕混3 min；之后振動澆注成40 mm×40 mm×160 mm的試樣和Φ90/Φ70 mm×80 mm中間帶Φ50/Φ30 mm×50 mm盲孔的坩堝。在室溫下養(yǎng)護1 d后脫模，經(jīng)110℃×24 h烘干后，再在空氣氣氛中1 350℃×3 h熱處理。

表3 試驗配方 （w%）

1.3 性能檢測

按照GB/T 3001-2007檢測常溫抗折強度和耐壓強度；按照GB/T 3001-2017檢測常溫抗折強度和耐壓強度；按照GB/T 5988-2007檢測加熱永久線變化；按照GB/T 3002-2017檢測高溫抗折強度，檢測條件為1 400℃×0.5 h；參照GB/T 4513.8-2017檢測1 100℃水冷5次后的殘余抗折強度；按照GB/T 8931-2007檢測抗渣性（1 350℃×3 h）。

2 結(jié)果與討論

2.1 莫來石種類對脫硫噴槍用澆注料體積密度的影響

由圖1可以看出，經(jīng)過110℃×24 h的烘干，3個配方的體積密度相差不大。添加電熔莫來石的澆注料TLQ1的體積密度略高一點，為2.54 g/cm3，添加高純燒結(jié)莫來石的澆注料TLQ2略低一點，為2.43 g/cm3。

圖1 莫來石種類對脫硫噴槍用澆注料體積密度的影響圖

2.2 莫來石種類對脫硫噴槍用澆注料顯氣孔率的影響

由圖2可以看出，經(jīng)過1 350℃×3 h的燒成，添加高純燒結(jié)莫來石的澆注料TLQ2的顯氣孔率最高，添加電熔莫來石的澆注料TLQ1最低，添加普通燒結(jié)莫來石的澆注料TLQ3的顯氣孔率居中。

圖2 莫來石種類對脫硫噴槍用澆注料顯氣孔率的影響圖

2.3 莫來石種類對脫硫噴槍用澆注料加熱永久線變化率的影響

由圖3可以看出，經(jīng)過1 350℃×3 h的熱處理，添加電熔莫來石的澆注料TLQ1的膨脹最大，添加普通燒結(jié)莫來石的澆注料TLQ3的膨脹最小。電熔莫來石中莫來石晶體尺寸大，發(fā)育良好，缺陷少，反應(yīng)活性相對較低，不易與水泥等物質(zhì)反應(yīng)；而燒結(jié)莫來石中莫來石晶體尺寸小，發(fā)育不完整，缺陷多，反應(yīng)活性相對較高，容易與水泥等物質(zhì)反應(yīng)。因此，澆注料TLQ1的膨脹量比TLQ2大。普通燒結(jié)莫來石中有鐵、鈦等雜質(zhì)，在高溫下產(chǎn)生較多液相，液相促進燒結(jié)，因此澆注料TLQ3的膨脹量最小。

圖3 莫來石種類對脫硫噴槍用澆注料加熱永久線變化率的影響圖

2.4 莫來石種類對脫硫噴槍用澆注料常溫抗折強度的影響

由圖4可以看出，經(jīng)過110℃×24 h的烘干，添加電熔莫來石的澆注料TLQ1的常溫抗折強度最高，添加高純燒結(jié)莫來石的澆注料TLQ2的常溫抗折強度最低，添加普通燒結(jié)莫來石的澆注料TLQ3的常溫抗折強度居中。因為經(jīng)過110℃烘干，樣塊的常溫抗折強度主要來源于水泥的結(jié)合強度，電熔莫來石呈針柱狀，交錯地分布在樣塊中，會略提高一點TLQ1的常溫抗折強度。經(jīng)過1 350℃×3 h的熱處理，3個配方的常溫抗折強度相差不大，添加電熔莫來石的澆注料TLQ1略高一點。

圖4 莫來石種類對脫硫噴槍用澆注料常溫抗折強度的影響圖

2.5 莫來石種類對脫硫噴槍用澆注料常溫耐壓強度的影響

由圖5可以看出，經(jīng)過110℃×24 h的烘干，3個配方的常溫耐壓強度相差不大，添加電熔莫來石的澆注料TLQ1略高一點，電熔莫來石呈針柱狀，交錯的分布在樣塊中，會略提高一點TLQ1的常溫耐壓強度。經(jīng)過1 350℃×3 h的熱處理，添加電熔莫來石的澆注料TLQ1的常溫耐壓強度最高，添加高純燒結(jié)莫來石的澆注料TLQ2的常溫耐壓強度最低，添加普通燒結(jié)莫來石的澆注料TLQ3的常溫耐壓強度居中。耐壓強度與樣塊的致密度有關(guān)，材料致密度高，耐壓強度高，澆注料TLQ2的顯氣孔率最大，因此其熱處理的常溫耐壓強度最低；澆注料TLQ1的顯氣孔率最小，其熱處理后的常溫耐壓強度最大，再者，電熔莫來石的針柱狀結(jié)構(gòu)也會提高澆注料TLQ1的耐壓強度；澆注料TLQ3的顯氣孔率居中，因此其熱處理后的常溫耐壓強度也居中。

圖5 莫來石種類對脫硫噴槍用澆注料常溫耐壓強度的影響圖

2.6 莫來石種類對脫硫噴槍用澆注料高溫抗折強度的影響

由圖6可以看出，添加高純莫來石的澆注料TLQ2的1 400℃的高溫抗折強度最高，添加普通燒結(jié)莫來石的澆注料TLQ3的1 400℃的高溫抗折強度最低，添加電熔莫來石的澆注料TLQ1的1 400℃的高溫抗折強度比澆注料TLQ2略低一點。普通燒結(jié)莫來石中有鐵、鈦等雜質(zhì)，在高溫下產(chǎn)生較多液相，因此其高溫抗折強度較低。

圖6 莫來石種類對脫硫噴槍用澆注料高溫抗折強度的影響圖

2.7 莫來石種類對脫硫噴槍用澆注料抗折保持率的影響

由圖7可以看出，添加普通燒結(jié)莫來石的澆注料TLQ3的抗折保持率最高，添加電熔莫來石的澆注料TLQ1的抗折保持率最低，添加高純燒結(jié)莫來石的澆注料TLQ2的抗折保持率居中。電熔莫來石中莫來石晶體尺寸大，發(fā)育良好，缺陷少；而燒結(jié)莫來石中莫來石晶體尺寸小，發(fā)育不完整，晶界多，缺陷多。晶界和缺陷可以起到防止因急冷急熱產(chǎn)生裂紋的瞬時擴展，還可以在一定程度上吸收熱膨脹的作用，從而減少材料的內(nèi)部應(yīng)力。因此添加高純燒結(jié)莫來石的澆注料TLQ2的抗折保持率比添加電熔莫來石的澆注料TLQ1高。普通燒結(jié)莫來石中含有鐵、鈦等雜質(zhì)，經(jīng)過熱處理冷卻到常溫后呈玻璃相，降低了材料的平均熱膨脹系數(shù)，因此提高了材料的抗熱震穩(wěn)定性，表現(xiàn)為添加普通燒結(jié)莫來石的澆注料TLQ3的抗折保持率比添加高純燒結(jié)莫來石的澆注料TLQ2的抗折保持率高。

圖7莫來石種類對脫硫噴槍用澆注料抗折保持率的影響圖

2.8 莫來石種類對脫硫噴槍用澆注料抗渣侵蝕性的影響

圖8 所示為莫來石種類對脫硫噴槍用澆注料抗渣性的影響，坩堝是經(jīng)過110℃×24 h烘干，放入國內(nèi)某鋼廠脫硫終渣，再經(jīng)過1 350℃×3 h熱處理。表4為國內(nèi)某鋼廠脫硫終渣的化學(xué)成分。從坩堝剖面圖的侵蝕厚度和輪廓清晰程度上可以看出，添加電熔莫來石的澆注料TLQ1和添加高純燒結(jié)莫來石的澆注料TLQ2抗脫硫終渣的侵蝕能力相差不大，均好于添加普通燒結(jié)莫來石的澆注料TLQ3。這是因為普通燒結(jié)莫來石中含有鐵、鈦等雜質(zhì)，在高溫下產(chǎn)生液相，使得基質(zhì)易溶于熔渣中，因此其抗侵蝕性差。

表4 國內(nèi)某鋼廠脫硫終渣的化學(xué)成分 （w%）

圖8 莫來石種類對脫硫噴槍用澆注料抗渣侵蝕性的影響圖

3 結(jié)語

（1）經(jīng)過110℃×24 h烘干處理，莫來石種類對脫硫噴槍用澆注料的體積密度、常溫抗折強度和常溫耐壓強度影響不大。

（2）經(jīng)過110℃×24 h烘干后，添加高純燒結(jié)莫來石的澆注料的1 400℃高溫抗折強度最高，添加普通燒結(jié)莫來石的澆注料的1 400℃高溫抗折強度最低。

（3）經(jīng)過1 350℃×3 h熱處理后，莫來石種類對脫硫噴槍用澆注料的常溫抗折強度影響不大，添加高純燒結(jié)莫來石澆注料的顯氣孔率最高，常溫耐壓強度最低；添加電熔莫來石和普通燒結(jié)莫來石的澆注的顯氣孔率和常溫耐壓強度相差不大。

（4）經(jīng)過1 350℃×3 h熱處理后，添加電熔莫來石的澆注料加熱永久線變化最大，抗折保持率最低；添加普通燒結(jié)莫來石的澆注料加熱永久線變化最小，抗折保持率最高；添加高純燒結(jié)莫來石的澆注料的加熱永久線變化和抗折保持率均居中。

（5）經(jīng)過1 350℃×3 h熱處理后，添加電熔莫來石和高純燒結(jié)莫來石的澆注料的抗脫硫終渣侵蝕性良好，添加普通燒結(jié)莫來石的澆注料的抗脫硫終渣侵蝕性稍差。