鈦鋁酸鈣顆粒加入對(duì)剛玉澆注料性能的影響

梁小龍，王子軍，王義龍，陳永強(qiáng)2,，于凌月1,，張連進(jìn)1,

(1.河北國(guó)亮新材料股份有限公司，河北 唐山 063021； 2.河北省鋼鐵冶煉用耐火材料技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 唐山 063021； 3.唐山貝斯特高溫材料有限公司，河北 唐山 063021)

“鈦鋁酸鈣”是鈦鐵合金的冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，俗稱(chēng)鈦鋁酸鈣,研究發(fā)現(xiàn)鈦鋁酸鈣的是一種以鈦鋁酸鈣、六鋁酸鈣為主，二鋁酸鈣及鈦酸鈣為副的高熔點(diǎn)復(fù)相材料[1]，多年來(lái)被作為固體廢棄材料沒(méi)有得到合理利用，占用大量的土地資源，而且還會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的破壞。鈦鋁酸鈣的耐火度可達(dá)1 790 ℃以上，在高溫工業(yè)應(yīng)該有很好的利用價(jià)值[2]。本試驗(yàn)中，擬在剛玉澆注料中加入鈦鋁酸鈣顆粒等量替代其中的板狀剛玉，研究鈦鋁酸鈣顆粒加入對(duì)剛玉澆注料性能影響，推動(dòng)其在耐火材料領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 試 驗(yàn)

1.1 原 料

試驗(yàn)所用原料有：板狀剛玉(8～5 mm、5～3 mm、3～1 mm、≤1 mm、≤0.045 mm)、鈦鋁酸鈣(5～5mm)、剛玉粉200目、u-Al2O3微粉、外加劑等。實(shí)驗(yàn)用板狀剛玉顆粒及鈦鋁酸鈣顆粒的主要化學(xué)組成見(jiàn)表1。

表1 主要原料的化學(xué)組成

如圖1所示，原料鈦鋁酸鈣主要物相為Ca((Al0.84Ti0.16)2)6O19和CaAl12O19(CA6)，次晶相為CaAl4O7(CA2)、α-Al2O3，還有少量的CaTiO3和金紅石相[1-2]。

圖1 原料鈦鋁酸鈣顆粒的XRD圖譜

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

按照配料表(見(jiàn)表2)進(jìn)行配料，原料干混均勻后，加入到砂漿攪拌機(jī)中，在砂漿攪拌機(jī)中繼續(xù)干混1 min后，加入適量的清水?dāng)嚢? min至澆注料狀態(tài)良好。將攪拌好的料漿澆注到尺寸為40 mm×40 mm×160 mm×3的標(biāo)準(zhǔn)試樣模具中，固定到震動(dòng)臺(tái)震動(dòng)成型。同時(shí)澆注外徑尺寸70 mm×70 mm×70 mm、內(nèi)孔尺寸為Φ30 mm×35 mm的干鍋試樣，用來(lái)檢測(cè)材料的抗渣性能。試樣放置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，常溫條件下自然養(yǎng)護(hù)24 h之后脫模。之后將樣條及抗渣樣塊置于110 ℃干燥箱干燥24 h。經(jīng)干燥處理的樣條再分別進(jìn)行110 ℃×24 h、1 200 ℃×3 h、1 550 ℃×3 h熱處理，以及1 450 ℃×0.5h熱態(tài)抗折強(qiáng)度檢測(cè)，1 550 ℃×3 h靜態(tài)抗渣試驗(yàn)檢測(cè)。

1.3 性能檢測(cè)

檢測(cè)干燥后和燒成后樣條的抗折、耐壓強(qiáng)度；檢測(cè)試樣在1 200 ℃和1 550 ℃保溫3 h熱處理后的線(xiàn)變化率；測(cè)量干燥后和燒成后樣條的顯氣孔率、體積密度。

試驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程中的參考標(biāo)準(zhǔn)：

(1)YB/T 5203—93 致密耐火澆注料線(xiàn)變化率試驗(yàn)方法;

(2)YB/T 5201—1993致密耐火澆注料 常溫抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法;

(3)YB/T 5200—1993 致密耐火澆注料 顯氣孔率和體積密度試驗(yàn)方法。

表2 配料表 %

在經(jīng)過(guò)干燥處理后的坩堝試樣內(nèi)孔中加入45 g的鋼包渣，將坩堝試驗(yàn)靜態(tài)放置高溫爐內(nèi)，經(jīng)過(guò)1 550 ℃保溫3 h處理，通過(guò)自然降溫至常溫后，沿坩堝最大徑切開(kāi)，測(cè)量試樣的侵蝕面積和滲透面積(以梯形面積公式計(jì)算)，計(jì)算試樣的侵蝕指數(shù)和滲透指數(shù)(1#～4#試樣的侵蝕(滲透)面積/1#試樣的侵蝕(滲透)面積×100%)[2]。試驗(yàn)用鋼包渣的化學(xué)成分見(jiàn)表3。

表3 鋼包渣化學(xué)組成 %

2 結(jié)果與討論

2.1 體積密度和氣孔率

經(jīng)過(guò)對(duì)試樣的體積密度及氣孔率檢測(cè)，制作圖表，如圖2、圖3所示。試驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)110 ℃保溫24 h處理后的試樣，體積密度及氣孔率變化均變化不明顯。

圖2 試樣體積密度圖

試樣分別經(jīng)過(guò)1 200 ℃保溫3 h以及1 550 ℃保溫3 h熱處理后，其結(jié)晶水、結(jié)構(gòu)水先后排除，呈現(xiàn)氣孔率升高，體積密度減小的趨勢(shì)。同時(shí)隨著鈦鋁酸鈣顆粒的加入量增大，中高溫處理后的試樣氣孔率略有降低，這是因?yàn)殁佷X酸鈣顆粒的加入在中溫時(shí)產(chǎn)生的液相增多，促進(jìn)了試樣的燒結(jié)。

圖3 試樣氣孔率圖

2.2 重?zé)€(xiàn)變化率

鈦鋁酸鈣顆粒加入量對(duì)試樣重?zé)€(xiàn)變化率的影響如圖4所示，試樣處理溫度升高，其重?zé)€(xiàn)變化率相應(yīng)增大，同時(shí)鈦鋁酸鈣顆粒的加入量增加之后，試樣的重?zé)€(xiàn)變化率相應(yīng)增大。這是因?yàn)殡S著溫度升高，鈦鋁酸鈣顆粒邊緣的CA2相與試樣的剛玉相反應(yīng)生成CA6，伴隨著體積膨脹，同時(shí)導(dǎo)致了線(xiàn)變化率增大。

圖4 試樣重?zé)€(xiàn)變化率圖表

2.3 常溫強(qiáng)度

根據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)的抗折、耐壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)制成試樣常溫抗折強(qiáng)度及常溫耐壓強(qiáng)度趨勢(shì)圖表，如圖5、圖6所示，試驗(yàn)表明，隨著鈦鋁酸鈣顆粒加入量增多，鈦鋁酸鈣的顆粒邊緣與基質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生液相燒結(jié)，各溫度處理后試樣的抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

圖5 試樣常溫抗折強(qiáng)度圖表

圖6 試樣常溫耐壓強(qiáng)度圖表

2.4 熱態(tài)抗折強(qiáng)度

表4為試樣熱態(tài)抗折強(qiáng)度的指標(biāo)，從數(shù)據(jù)中可以看出，隨著鈦鋁酸鈣的加入量增加，試樣的熱態(tài)抗折強(qiáng)度下降明顯。主要是因?yàn)殁佷X酸鈣的加入，促進(jìn)了CA2相與剛玉相反應(yīng)，試樣體積膨脹，甚至產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

表4 試樣熱態(tài)抗折強(qiáng)度指標(biāo) MPa

2.5 抗渣性能

經(jīng)過(guò)1 550 ℃保溫3 h處理后的抗渣試樣，沿坩堝試樣最大徑切開(kāi)的剖面圖如圖7所示；按照試驗(yàn)截面梯形面積計(jì)算試樣的渣侵蝕指數(shù)及渣滲透指數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表5所示，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著鈦鋁酸鈣顆粒加入量增加，試樣抗渣侵蝕和抗渣滲透性能均變差。

圖7 鈦鋁酸鈣加入量對(duì)試樣抗渣性能的影響

表5 試樣的抗渣性能

3 結(jié) 論

(1)粒徑為8～5 mm鈦鋁酸鈣的加入后，剛玉澆注料重?zé)€(xiàn)變化增大、常溫強(qiáng)度降低、抗渣性能下降、1 450 ℃×0.5 h熱態(tài)抗折強(qiáng)度降低，靜態(tài)抗渣性能下降。

(2)鈦鋁酸鈣8～5 mm粒徑顆粒的少量加入(10%)，雖然其各方面性能指標(biāo)下降，綜合考慮成本，具有可行性。