尖晶石種類對(duì)剛玉-尖晶石澆注料性能的影響

李天學(xué) 郜橋剛 畢振勇 邵俊寧

1）河南海格邇新材料有限公司 河南洛陽(yáng)471200

2）北京首鋼股份有限公司 北京064404

隨著鋼鐵冶煉技術(shù)的不斷進(jìn)步，冶煉鋼種不斷向高附加值、高技術(shù)含量方向發(fā)展。雖然耐火材料在鋼鐵冶煉中消耗占比較低，但它是煉鋼生產(chǎn)中不可或缺的高溫筑爐材料和功能材料。剛玉-尖晶石澆注料具有抗渣侵蝕性和滲透性好、抗熱震性好等優(yōu)良性能，用于鋼包的重要部位［1-6］。尖晶石作為剛玉-尖晶石澆注料的主要原料，能夠提升澆注料的抗渣性及抗熱震性。根據(jù)尖晶石的合成工藝，可分為電熔尖晶石和燒結(jié)尖晶石。目前，對(duì)剛玉-尖晶石澆注料中尖晶石加入方式和加入量的相關(guān)文章及報(bào)道較多［7-10］，而不同種類尖晶石對(duì)比研究較少。為此，在本工作中對(duì)比研究了尖晶石種類對(duì)剛玉-尖晶石澆注料性能的影響，為實(shí)際工作中如何選擇尖晶石提供借鑒。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

本試驗(yàn)采用的原料主要有板狀剛玉顆粒（6～3、3～1、≤1 mm）及細(xì)粉（0.045 mm）、電熔尖晶石顆粒（≤1 mm）及細(xì)粉（0.045 mm）、燒結(jié)尖晶石顆粒（≤1 mm）及細(xì)粉（0.045 mm）、活性尖晶石微粉（d50＝1.82μm）、活性Al2O3微粉（d50＝1.68μm）等，以純鋁酸鈣水泥Secar 71為結(jié)合劑。所用主要原料的化學(xué)組成如表1所示。

表1 原料的化學(xué)組成

1.2 試樣制備

試樣配比見(jiàn)表2。按表2進(jìn)行配料后干混1 min，加4.0%（w）的水?dāng)嚢? min后，振動(dòng)澆注成40 mm×40 mm×160 mm的長(zhǎng)條試樣，以及外徑φ100／90 mm×100 mm、內(nèi)孔為φ50／44 mm×60 mm的坩堝試樣。在室溫下養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，再自然干燥24 h，經(jīng)110℃保溫24 h烘干，然后以5℃·min-1的升溫速率分別在1 400、1 600℃保溫3 h熱處理。

表2 試樣配比

1.3 性能檢測(cè)

按GB／T 4513.4—2017測(cè)澆注料的流動(dòng)值；分別按YB／T 5200—1993（2017）、GB／T 3001—2017、GB／T 5072—2008測(cè)110、1 400、1 600℃處理后試樣的體積密度、常溫抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度；按GB／T 5988—2007檢測(cè)1 400、1 600℃處理后試樣的加熱永久線變化率。

抗熱震性：將經(jīng)1 600℃保溫3 h處理后的試樣放入950℃爐內(nèi)保溫30 min，然后將試樣取出風(fēng)冷，吹0.1 MPa壓縮冷空氣5 min，再自然冷卻，測(cè)定試樣1次風(fēng)冷熱震前后的抗折強(qiáng)度，以熱震后抗折強(qiáng)度保持率表征試樣的抗熱震性。

抗渣性：將110℃烘干后坩堝試樣中加入70 g某鋼廠精煉鋼包渣，在電爐中經(jīng)1 600℃保溫3 h進(jìn)行抗渣試驗(yàn)。將試驗(yàn)后坩堝試樣對(duì)稱縱向切開(kāi)，觀察并測(cè)量渣侵蝕和滲透情況。采用掃描電子顯微鏡觀察抗渣試驗(yàn)后材料的顯微結(jié)構(gòu)。所用精煉鋼包渣的化學(xué)組成（w）為：CaO 34.61%，F(xiàn)e2O328.66%，MnO214.23%，SiO211.86%，Al2O36.07%，MgO 2.75%，P2O50.44%，TiO20.71%，V2O50.39%。

2 結(jié)果和討論

2.1 流動(dòng)性

在相同加水量（w）4%的情況下，試樣1＃、2＃、3＃的振動(dòng)流動(dòng)值分別為132%、99%、136%，可見(jiàn)引入電熔尖晶石的1＃試樣流動(dòng)值遠(yuǎn)大于使用燒結(jié)尖晶石的2＃試樣的。在2＃試樣基礎(chǔ)上引入活性尖晶石微粉后，3＃試樣的流動(dòng)值明顯增大，與1＃試樣的相當(dāng)。這是因?yàn)榛钚约饩⒎郏╠50＝1.82μm）有利于顆粒之間細(xì)小空隙的填充，能明顯改善流動(dòng)性。

2.2 物理性能

表3示出了試樣經(jīng)不同溫度處理后的物理性能。可以看出，試樣經(jīng)過(guò)110℃保溫24 h后，體積密度、抗折強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度等相差不大；分別經(jīng)1 400和1 600℃保溫3 h處理后，2＃試樣比1＃試樣的抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度略高，但3＃試樣提高的幅度較大。由于活性尖晶石微粉粒度細(xì)小，比表面積大，在澆注料中彌散分布，對(duì)燒結(jié)致密化的促進(jìn)作用更明顯，進(jìn)而獲得更好的結(jié)合強(qiáng)度。

表3 試樣的物理性能

經(jīng)1 400℃保溫3 h處理后試樣的永久線變化均是微膨脹，且1＃試樣到3＃試樣的膨脹幅度越來(lái)越??；經(jīng)1 600℃保溫3 h處理后1＃試樣的永久線變化率為正，試樣表現(xiàn)為微膨脹，2＃和3＃試樣呈現(xiàn)微收縮。

2.3 抗熱震性

試樣的抗熱震性見(jiàn)圖1。

圖1 1 600℃處理后試樣經(jīng)950℃風(fēng)冷1次后的抗熱震性

由圖1可知：2＃試樣的殘余抗折強(qiáng)度保持率最高（73.9%），3＃試樣的次之（67.1%）。這是因?yàn)闊Y(jié)尖晶石晶粒尺寸較小，具有較多的邊界，在試樣急冷急熱過(guò)程中，能夠緩解部分熱應(yīng)力，減少對(duì)試樣本體的破壞，保持了較高的抗折強(qiáng)度；當(dāng)在3＃試樣中引入少量的活性尖晶石微粉后不僅提高了試樣的燒結(jié)性能，同時(shí)也提高了試樣的致密度，緩沖熱應(yīng)力能力降低，導(dǎo)致3＃試樣的抗折強(qiáng)度保持率降低，但仍高于全部使用電熔尖晶石的1＃試樣。

2.4 抗渣性能

坩堝試樣經(jīng)1 600℃保溫3 h抗渣試驗(yàn)后的縱剖面照片見(jiàn)圖2。坩堝試樣剖面橫向和縱向的侵蝕深度、滲透深度和過(guò)渡層（滲透層外邊沿到試樣原磚部分有一明顯亮環(huán)）深度見(jiàn)表4。根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，添加電熔尖晶石的1＃試樣在抗侵蝕性略好于其他兩組試樣，而在抗?jié)B透性有所欠缺。綜合對(duì)比，引入活性尖晶石微粉的3＃試樣，無(wú)論是試樣致密度，還是尖晶石粒度分布，都具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在抗渣滲透性表現(xiàn)最好。

圖2 試樣經(jīng)1 600℃保溫3 h抗渣試驗(yàn)后的縱剖面照片

表4 抗渣試驗(yàn)后試樣的侵蝕深度、滲透深度和過(guò)渡層深度

3 結(jié)論

（1）在剛玉-尖晶石澆注料中，引入不同種類的尖晶石對(duì)試樣在110℃保溫24 h后的抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度影響不大，但使用電熔尖晶石能降低加水量，提高流動(dòng)性，得到優(yōu)良的施工性能。

（2）使用電熔尖晶石有利于提升材料的抗渣侵蝕性能；但在抗渣滲透性及抗熱震性方面，燒結(jié)尖晶石更占優(yōu)勢(shì)。

（3）加入適量的活性尖晶石微粉可以彌補(bǔ)燒結(jié)尖晶石的不足，提高澆注料的可施工性，但對(duì)抗熱震性方面會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。