蔡鄂漢,李遠(yuǎn)兵,孫 莉,金漢僑,趙 雷,李亞偉,李淑靜

(武漢科技大學(xué)耐火材料與高溫陶瓷國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,湖北武漢,430081)

隨著高爐的大型化和冶煉新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用,出鐵溝襯耐火材料的性能對溝襯的使用壽命和爐前作業(yè)起著決定性的作用。目前,國內(nèi)大、中型高爐出鐵溝主要以A l2O3-SiC-C質(zhì)澆注料為主[1],引入SiC是為了改善澆注料的抗渣性能[2-5],然而,隨著高爐的大型化以及鐵礦石品位的下降,導(dǎo)致渣鐵比增大,從而提高了對渣線部分澆注料抗渣性能的要求,而SiC已不能完全滿足要求。呂春燕等[6]研究了在鐵溝料中加入Si3N4原位生成Sialon復(fù)合粉對澆注料抗渣性能以及常溫物理性能的影響。由于加入的Si3N4與氧化物不相容,導(dǎo)致澆注料流動(dòng)性下降,從而影響A l2O3-SiC-C質(zhì)澆注料強(qiáng)度、抗氧化性及抗渣性。為此,本文擬以用工業(yè)固體廢棄物鋁灰為原料所制得的4種Sialon復(fù)合粉分別替換鐵溝料中的部分細(xì)粉,研究加入Sialon復(fù)合粉對鐵溝澆注料性能的影響。

1 試驗(yàn)原料及方法

試驗(yàn)所用的原料有棕剛玉、白剛玉、SiC、鋁微粉、硅微粉、球狀瀝青、金屬硅、水泥、添加劑和防爆纖維,其中主要原料的化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)中添加的4種Sialon復(fù)合粉體分別以熔鹽法鋁灰和電弧法鋁灰為原料,采用不同的方法合成。這4種Sialon復(fù)合粉體分別為:①采用熔鹽法鋁灰合成的純Sialon粉體,標(biāo)記為試樣MSP,其主要物相為O′-Sialon和β-Sialon;②采用熔鹽法鋁灰合成的Sialon復(fù)合粉體,標(biāo)記為試樣MSC,其主要物相為β-Sialon、剛玉和鎂鋁尖晶石;③采用電弧法鋁灰合成的純Sialon粉體,標(biāo)記為試樣EAP,其主要物相為β-Sialon和極少量的15R;④采用電弧法鋁灰合成的Sialon復(fù)合粉體,標(biāo)記為試樣EAC,其主要物相為β-Sialon、剛玉、鎂鋁尖晶石和15R。試樣的原料配比如表2所示。

將配好的原料置于攪拌鍋中,加入5.5%的水,攪拌3 min后在125 mm×25mm×25 mm的模具內(nèi)振動(dòng)成型,在室溫下養(yǎng)護(hù)24 h后脫模,經(jīng)110℃×24 h烘干處理后,再取其中部分試樣進(jìn)行1 100℃×3 h和1 450℃×3 h的埋炭熱處理。

按GB/T 2997—82、GB/T 3001—82、GB/T 5 072—85和GB/T3002—2004分別測量或計(jì)算110℃×24 h、1 100℃×3 h和1 450℃×3 h處理后試樣的體積密度、顯氣孔率、抗折強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度等常溫物理性能以及高溫抗折強(qiáng)度。抗氧化性測試則是比較空氣氣氛中1 450℃×0.5 h處理后各組試樣的體積密度、顯氣孔率、抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度。

表1 主要原料的化學(xué)成分(w B/%)Table 1 Chemical compositions of raw materials

表2 試樣的配料比(w B/%)Table 2 Formulas of specimens

2 結(jié)果與分析

2.1 Sialon復(fù)合粉對試樣常溫物理性能的影響

圖1示出了不同加入量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)的MSP對鐵溝澆注料顯氣孔率、體積密度、抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度的影響。從圖1(a)和圖1(b)中可見,與未添加Sialon復(fù)合粉的試樣比較,加入MSP使試樣的顯氣孔率普遍升高,體積密度降低;但總體變化不大,其原因是加入的MSP粉體本身的體積密度較低,只有在MSP加入量為1%時(shí)1 450℃×3 h燒后試樣顯氣孔率降低,體積密度增大。由圖1(c)和圖1(d)中可見,與未添加Sialon復(fù)合粉的試樣比較,除MSP加入量為1%的試樣外,加入MSP使110℃烘后和1 450℃×3 h燒后試樣的抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度均有顯著提高,尤其當(dāng)加入量為7%時(shí),MSP對澆注料強(qiáng)度改善效果最佳;但加入MSP對1 100℃×3 h燒后試樣的強(qiáng)度沒有明顯改善。

圖1 MSP加入量與試樣常溫物理性能的關(guān)系Fig.1 Relationship between MSP content and cold physical properties of castables

圖2示出了不同加入量的MSC對鐵溝澆注料顯氣孔率、體積密度、抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度的影響。從圖2(a)和圖2(b)中可見,與未添加Sialon復(fù)合粉的試樣比較,加入MSC使1 100℃×3 h、1 450℃×3 h燒后試樣的顯氣孔率先升高后降低,但總體變化不大;110℃烘后試樣的顯氣孔率顯著升高;3類試樣的體積密度普遍降低。由圖2(c)中可見,110℃烘后和1 450℃×3 h燒后試樣的強(qiáng)度先增大后降低,在MSC加入量為3%時(shí)試樣抗折強(qiáng)度最大;1 100℃×3 h燒后試樣的抗折強(qiáng)度則在MSC加入量為1%時(shí)最低,MSC加入量為7%時(shí)最大。從圖2(d)中可以看出,加入MSC使3類試樣的耐壓強(qiáng)度均增大,其中1 450℃×3 h燒后試樣耐壓強(qiáng)度的改善最明顯,尤其在MSC加入量為3%時(shí),試樣的耐壓強(qiáng)度最大。

圖3示出了不同加入量的EAP對鐵溝澆注料顯氣孔率、體積密度、抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度的影響。從圖3(a)和圖3(b)中可見,與未添加Sialon復(fù)合粉的試樣比較,加入EAP后鐵溝澆注料的體積密度普遍略有降低。由圖3(c)中可見,加入3%和5%的EAP對1 100℃×3 h燒后試樣的抗折強(qiáng)度提高較大,但加入EAP對110℃烘后和1 450℃×3 h燒后試樣抗折強(qiáng)度的影響不大。從圖3(d)中可見,加入EAP使試樣的耐壓強(qiáng)度呈增大趨勢,尤其是EAP加入量為5%時(shí),110℃烘后和1 100℃×3 h燒后試樣的耐壓強(qiáng)度顯著增大,但此時(shí)1 450℃×3 h燒后試樣的耐壓強(qiáng)度變化不大。

圖2 MSC加入量與試樣常溫物理性能的關(guān)系Fig.2 Relationship between MSC content and cold physical properties of castables

圖3 EAP加入量與試樣常溫物理性能的關(guān)系Fig.3 Relationship between EAP content and cold physical properties of castables

圖4示出了不同加入量的EAC對鐵溝澆注料顯氣孔率、體積密度、抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度的影響。從圖4(a)和圖4(b)中可見,與未添加Sialon復(fù)合粉的試樣比較,加入EAC后,110℃×24 h烘后試樣的顯氣孔率隨ECA加入量的增加先增大后減小,并且在EAC加入量為1%、3%和5%時(shí)試樣顯氣孔率變化不大;1 100℃×3 h燒后試樣的顯氣孔率變化不大;1 450℃×3 h燒后試樣的顯氣孔率則先減小后增大。澆注料的體積密度隨EAC加入量的增加而普遍減小。由圖4(c)中可見,加入EAC對110℃烘后試樣的抗折強(qiáng)度影響不大;1 100℃×3 h、1 450℃×3 h燒后試樣的抗折強(qiáng)度則隨EAC加入量的增加先增大后減小,并且均在EAC加入量為1%時(shí)試樣抗折強(qiáng)度最大。從圖4(d)中可以看出,與未添加Sialon復(fù)合粉的試樣比較,除EAC加入量為3%的試樣外,其余試樣110℃烘后的耐壓強(qiáng)度均增大;1 100℃×3 h、1 450℃×3 h燒后試樣的耐壓強(qiáng)度則均在EAC加入量為1%時(shí)最大。

圖4 EAC加入量與試樣常溫物理性能的關(guān)系Fig.4 Relationship between EAC content and cold physical properties of castables

2.2 Sialon復(fù)合粉對試樣高溫抗折強(qiáng)度的影響

圖5所示為鐵溝澆注料于埋炭氣氛中經(jīng)1 400℃×0.5 h處理后試樣的高溫抗折強(qiáng)度。由圖5中可見,與未添加Sialon復(fù)合粉體試樣的高溫抗折強(qiáng)度比較,加入MSC、EAC后試樣高溫抗折強(qiáng)度普遍降低,加入1%的Sialon復(fù)合粉體時(shí)試樣的高溫抗折強(qiáng)度無明顯變化,而加入3%、5%和7%的Sialon復(fù)合粉體時(shí)試樣的高溫抗折強(qiáng)度則明顯降低;加入純的Sialon粉體(MSP、EAP)也使試樣的高溫抗折強(qiáng)度降低,但總體影響不大。

圖5 Sialon加入量與試樣高溫抗折強(qiáng)度的關(guān)系Fig.5 Relationship between Sialon powder content and hot modulus of rupture of castables

2.3 Sialon復(fù)合粉對試樣抗氧化性的影響

圖6示出了鐵溝澆注料于空氣氣氛中1 450℃×0.5 h氧化后試樣的顯氣孔率、體積密度、抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度。從圖6(a)中可見,與未添加Sialon復(fù)合粉的試樣比較,Sialon復(fù)合粉MSP、MSC和EAP的加入均使氧化后鐵溝澆注料的顯氣孔率升高;EAC加入量為1%、3%和5%時(shí)試樣的顯氣孔率降低,加入量為7%時(shí)試樣的顯氣孔率升高,但總體變化不大。由圖6(b)中可知,與未添加Sialon復(fù)合粉的試樣比較,加入Sialon復(fù)合粉使氧化后澆注料的體積密度降低,但其中加入MSC和EAC的試樣體積密度變化不大,加入MSP和EAP的試樣體積密度則顯著降低。從圖6(c)中可見,與未添加Sialon復(fù)合粉的試樣比較,加入Sialon復(fù)合粉使氧化后鐵溝澆注料的抗折強(qiáng)度升高,尤其是在Sialon復(fù)合粉加入量為1%和3%以及EAP、MSC和EAC加入量為5%時(shí)氧化后試樣的抗折強(qiáng)度較未添加Sialon復(fù)合粉試樣有顯著升高。由圖6(d)中可知,與未添加Sialon復(fù)合粉的試樣比較,除EAP加入量為3%和5%以及MSC加入量為5%的試樣外,加入Sialon復(fù)合粉均使氧化后鐵溝澆注料的耐壓強(qiáng)度降低。

圖6 氧化后試樣的常溫物理性能Fig.6 Cold physical properties of oxidized samples

3 結(jié)論

(1)加入MSP有助于提高鐵溝澆注料110℃烘后和1 450℃×3 h燒后試樣的強(qiáng)度;MSC的加入能提高鐵溝料110℃烘后、1 100℃×3 h和1 450℃×3 h燒后試樣的抗折強(qiáng)度,并且可以提高1 450℃×3 h燒后試樣的耐壓強(qiáng)度;加入EAP可以提高鐵溝料110℃烘后和1 100℃×3 h燒后試樣的抗折強(qiáng)度以及110℃烘后和1 450℃×3 h燒后試樣的耐壓強(qiáng)度;加入EAC可以提高鐵溝澆注料1 100℃×3 h、1 450℃×3 h燒后試樣的強(qiáng)度。

(2)加入4種Sialon復(fù)合粉體后,鐵溝澆注料的高溫抗折強(qiáng)度均有所降低,其中MSC和EAC對試樣高溫抗折強(qiáng)度的影響較MSP和EAP更顯著。

(3)加入Sialon復(fù)合粉體會使鐵溝澆注料氧化后的顯氣孔率和抗折強(qiáng)度升高,并使試樣體積密度和耐壓強(qiáng)度降低。

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