SiO_2微粉和Al_2O_3微_省略_量对莫来石_刚玉浇注料性能的影响_李洪波

NAI HUO C AI L I A O/耐火材料2007,41(6)435~438试验研究SiO2微粉和A l2O3微粉加入量对莫来石-刚玉浇注料性能的影响

李洪波1,2) 赵继增2) 陈奇1)

1)华东理工大学 上海200237

2)上海利尔耐火材料有限公司

摘 要 以莫来石M45(10~5mm,5~3mm)、电熔莫来石(3~1mm, 1mm)作骨料,刚玉粉( 0.074mm)、电熔莫来石粉( 0.074mm)、纯铝酸钙水泥、A l2O3微粉(d50=2.11 m)和Si O2微粉(d50=1.07 m)作基质,制备了脱硫枪用莫来石-刚玉浇注料,并分别研究了S i O2微粉加入量(分别为2%、3%、4%、5%)和A l2O3微粉加入量(分别为2%、4%、6%)对浇注料体积密度、显气孔率、强度、烧后永久线变化率、抗热震性和抗渣性的影响。结果表明:仅加入S i O2微粉时,随着其加入量在2%~5%范围内增加,莫来石-刚玉浇注料的体积密度提高,显气孔率降低,强度增加,抗渣性变好,但抗热震性变差;在加入3%Si O2微粉的基础上再加入2%~6%的A l2O3微粉时,浇注料的各项性能随A l2O3微粉增加没有明显改善,但均比仅加入3%S i O2微粉时有明显改善。

关键词 S i O2微粉,A l2O3微粉,莫来石-刚玉浇注料,脱硫喷枪

随着对钢材质量要求的不断提高,既可以减轻高炉炼铁的脱硫负担,又可以简化炼钢工序脱硫处理环节的铁水预处理脱硫工艺的应用越来越广泛[1-2],脱硫喷枪使用寿命的提高也就成为冶金工作者们感兴趣的课题。由于S i O2微粉和A l2O3微粉具有良好的填充作用,能有效地填充在浇注料骨料和细粉堆积形成的孔隙中,由此可降低浇注料的加水量,改善其流动性,降低气孔率,提高致密度和强度,改善抗热震性和抗渣性。本工作研究了S i O2微粉和A l2O3微粉加入量对脱硫枪用莫来石-刚玉浇注料的显气孔率、强度、抗热震性和抗渣性等的影响,以确定莫来石-刚玉浇注料中微粉的合适加入量。

0*

1 试验

1.1 原料及试验配方

采用莫来石M45(吸水率2.32%,体积密度2.50 g c m-3)、电熔莫来石(体积密度2.82g c m-3)、刚玉、纯铝酸钙水泥、A l2O3微粉(d50=2.11 m)、S i O2微粉(d50=1.07 m)等为原料制备脱硫枪用莫来石-刚玉浇注料。表1给出了所用原料的主要化学组成。

本试验中骨料是莫来石M45和电熔莫来石,基质部分包括刚玉细粉、电熔莫来石细粉、纯铝酸钙水泥、A l2O3微粉和S i O2微粉,骨料和基质料的质量比固定为70 30。具体试验方案见表2。

表1 原料的主要化学组成(w)

Tab le1C hem i c a l compositions of star ting ma t e ria ls%原料名称A l2O3S i O2Fe2O3Ca O LO I

莫来石M4545.7250.661.020.20-

电熔莫来石70.1224.581.100.20-刚玉粉99.50.060.06--纯铝酸钙水泥69.210.220.1529.52-

A l2O3微粉99.80.020.01-0.01

S i O2微粉0.493.40.6-1.0

表2 浇注料的配比(w)

Tab l e2Fo r mu las o f specm i ens%原 料1#2#3#4#5#6#7#

莫来石M45

10~5mm15151515151515

5~3mm20202020202020电熔莫来石

3~1mm14141414141414

<1mm21212121212121

<0.074mm10101010101010刚玉细粉<0.074mm1514131212108纯铝酸钙水泥3333333

S i O

2

微粉2345333

A l

2

O3微粉0000246 1.2 制样及性能测试

按YB/T5202.1-2003制样后,按有关标准分别测试样经110 24h、1000 3h和1400 3h处理后的显气孔率和体积密度、常温抗折强度和耐压强

*李洪波:男,1973年生,硕士研究生,工程师。

E m ai:l lirrl hb@126.co m

收稿日期:2007-03-05

修回日期:2007-07-20

度、烧后永久线变化率。

用水冷法进行抗热震试验。将经1400 3h处理后的试样加热到1100 并保温20m i n,然后用快速流动的水冷却3m i n,再自然冷却5m in。如此循环2次,以抗折强度保持率来衡量试样的抗热震性。

用静态坩埚法进行抗渣试验。由于研究的材料将用于对铁水进行预处理的脱硫喷枪,故试验渣选用铁水包渣,其主要化学组成(w)为:Si O239.62%, A l2O36.69%,Ca O42.78%,MgO6.74%,K2O0.38%, N a2O0.29%。将适量的铁水包渣装入坩埚中,经1450 3h处理,将冷却后的坩埚沿纵向切为对称的两半,测量最大侵蚀深度和最大渗透深度,然后指定某一试样的侵蚀指数为100%,其他试样的最大侵蚀深度均与选定试样的相比而得到相对侵蚀指数。

2 结果与讨论

2.1 微粉加入量对试样显气孔率和体积密度的影响

图1、图2分别示出了不同热处理条件下体积密度、显气孔率与微粉加入量的关系。由图1可看出:

(1)不加A l2O3微粉,S i O2微粉加入量在2%~ 5%范围内增加时,试样(1#~4#)在烘干、1000 和1400 处理后的体积密度均逐渐增大,显气孔率逐渐缩小。这是由于S i O2微粉具有很好的流动性,可以填充浇注料颗粒和细粉之间的孔隙,改善浇注料的流动性,降低加水量。

(2)加入3%硅微粉,A l2O3微粉加入量在0~6%

图1 微粉加入量对浇注料体积密度、显气孔率的影响

F ig.1E ff ec t s o f m i c ropowde r add itions on bu l k den sity and

appa ren t po rosity o f castab les 范围内增加时,试样(2#、5#~7#)在烘干、1000 和1400 处理后的体积密度均呈现出先增后减的变化,且A l2O3微粉加入量为2%(5#试样)和4%(6#试样)时体积密度稍大,而显气孔率的变化不太明显。2.2 微粉加入量对冷态强度的影响

图2示出了微粉加入量对莫来石-刚玉浇注料常温抗折强度和耐压强度的影响。由图2中可知:

(1)对于1#~4#试样,随着Si O2微粉加入量2% ~5%范围内增加,烘干后试样的抗折强度、耐压强度均是先增后减,其中以加入量为4%时最高;1000 3h处理后试样的抗折强度随S i O2微粉加入量的增加先增后减,以加入量为4%时最高,而耐压强度则是随着S i O2微粉加入量的增加呈增加趋势;1400 3h处理后试样的抗折强度变化不明显,而耐压强度则呈增大趋势。另外,S i O2微粉含量在3%~5%范围内的试样经低、中、高温处理后的强度差别不明显。

(2)当浇注料中加入3%S i O2微粉,A l2O3微粉量在0~6%范围内增加时,试样(2#和5#~7#)经低、中、高温处理后的抗折和耐压强度基本上呈增大趋势,其中A l2O3微粉加入量为2%时(5#试样)比不加时的(2#试样)强度增加明显,而A l2O3微粉加入量在2%~6%范围内时,试样的强度增加不明显。

分析认为:S i O2微粉遇水后可形成牢固的Si O Si键结合的网状链结构,它能一直保持到1200 以上[3],使浇注料具有良好的常温与中温强度;同时,S i O2微粉还可与A l2O3反应生成莫来石,提高浇

图2 微粉加入量对浇注料常温强度的影响

Fig.2E ff ects o f m icropowder addition s on co ld streng th o f cast ab les

注料的中、高温强度,但是S i O2微粉含量达到一定程

度后,对浇注料的增强作用就趋于平缓。而加入高活

性的A l2O3微粉后,更有利于莫来石的生成,因而浇

注料强度有较大的提高。

2.3 微粉加入量对永久线变化率的影响

图3示出了S i O2微粉和A l2O3微粉加入量对莫

来石-刚玉浇注料烧后永久线变化率的影响。

图3 微粉加入量对浇注料烧后永久线变化率的影响

F ig.3E ff ects o f m icropowder add itions on pe r manent linear

change o f castab l e s

由图3中1#~4#试样可知,随着Si O2微粉加入量

在2%~5%范围内的增加,1000 处理后试样的永久

线变化率呈增加趋势,而1400 处理后试样的永久线

变化率先增后减,在Si O2微粉加入量为3%时达最大。

由图3中2#、5#~7#试样可知,随着A l2O3微粉加

入量的增加(从0到6%),浇注料在1000 和1400

处理后的永久线变化率没有太大改变,只是不加

A l2O3微粉的2#试样经1400 处理后的稍大一些。

分析认为:温度达700 后,浇注料中的A l2O3

就在S i O2微粉所形成的网状链范围内反应形成非化

学计量化合物,温度达1000 后,二者就开始反应

生成莫来石[3-4],产生膨胀。随着S i O2微粉加入量

的增加,莫来石生成量增加,产生的膨胀量也大,且随

着温度进一步升高,莫来石生成量增大且莫来石晶体

逐渐长大,因此1400 处理后试样的永久线变化率

比1000 处理后的大。另一方面,由于试样在1400

时已经开始烧结,而Si O2微粉加入后更利于烧结

的进行,因此,随着S i O2微粉加入量的增加,烧结收

缩逐渐加剧,抵消了部分膨胀,故烧后永久线变化呈

减小趋势;而在加入2%Si O2微粉的基础上再加入

A l2O3微粉,则微粉总量增加,利于浇注料的烧结,因

此加A l2O3微粉后的5#~7#试样经1400 处理后的

永久线变化率比不加的2#试样略有下降。

2.4 微粉加入量对热震性的影响

图4示出了不同微粉加入量试样经2次热震

(1100 水冷)后的抗折强度保持率。比较2#~4#

试样可知,随着Si O2微粉在2%~5%范围内增加,试

样的抗热震性变差。比较2#、5#~7#试样可知,当

S i O2微粉加入量为3%,A l2O3微粉加入量在0~6%

范围内增加时,试样的抗热震性稍有降低。

图4 微粉含量与浇注料热震后抗折强度保持率的关系

Fig.4Residua l MOR ra t e a fter the r ma l shock vs m icropow

ders add ition

分析认为:2#~7#试样的基质组成点位于Ca O-

A l2O3-S i O2系三元相图(见图5)[5]中的A l2O3-

A

3

S

2

-CAS

2

三角形内,随着Si O

2

微粉加入量的增加,

系统组成点向CAS2移动,在1400 热处理过程中

产生的液相量增大,其在1100 快速水冷过程中过

冷液相生成的不稳定相数量也多,抗热震性因而下

降;随着A l2O3微粉加入量增加,由于是用A l2O3微粉

代替刚玉粉,系统组成点基本保持不变,高温产生的

液相量仅稍有增加,因此,抗热震性略有降低。

图5 CaO-A l

2

O

3

-S i O

2

系三元相图[2]

Fig.5CaO-A l

2

O

3

-S O i

2

t e rnary phase equ ili b rium d iagra m

总的来说,随着Si O2微粉加入量的增加,抗热震

性变差;而Si O2微粉和A l2O3微粉共同加入时,A l2O3

微粉加入量对抗热震性的影响不太大。

2.5 微粉加入量对抗渣性的影响

图6为不同微粉加入量的坩埚试样经静态抗渣

试验后的剖面外观照片。从图6中可以看到渣几乎没有渗透,因而只分析了渣侵蚀指数。将2#试样的侵蚀指数定为100%,其他试样的侵蚀深度均与2#试样的侵蚀深度相比作为相对侵蚀指数,得出的结果如下:2#试样,100%;3#试样,98%;4#试样,90%;5#试样,92%;6#试样,91%;7#试样,91%。可见,随着S i O2微粉在3%~5%范围内(2#~4#试样)增加,试样的侵蚀指数降低,抗渣侵蚀性提高,S i O2微粉含量达5%时(4#试样)的抗渣性最好;Si O2微粉和A l2O3微粉共同加入的试样(5#~7#)抗渣性比单独加S i O

2微粉的(2#试样)有明显改善,但A l2O3微粉加入量在2%~6%范围内增加时,抗渣性仅略有改善。

图6 侵蚀后试样的剖面外观照片(1450 3h)

F ig.6Section appea rance o f t he crucib l e specm i ens a fter

slag corrosion test(1450 3h)

分析认为,高温条件下,Si O2微粉可与基质中的A l2O3反应生成莫来石,填充浇注体的孔隙,从而提高了浇注料的抗渣侵蚀性。因此,随着Si O2微粉加入量的增加,试样抗渣侵蚀性变好。而A l2O3微粉和S i O2微粉共同加入,更利于莫来石的生成,因而抗渣性比单用S i O2微粉时明显改善。

3 结论

在采用莫来石M45、电熔莫来石、刚玉、纯铝酸钙水泥、A l2O3微粉、S i O2微粉等为原料制备的莫来石-刚玉浇注料中仅加入Si O2微粉时,随着其加入量在2%~5%范围内增加,莫来石-刚玉浇注料的体积密度提高,显气孔率降低,强度增加,抗渣性变好,但抗热震性变差;在加入3%S i O2微粉的基础上再加入2%~6%的A l2O3微粉时,浇注料的各项性能随A l2O3微粉增加没有明显改善,但均比单独加入3% S i O2微粉的有明显改善。在本试验中,S i O2微粉和A l2O3微粉适宜加入量分别为3%和2%。

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E ffects o f add itions o fm icr osilica and a l u m i n a m icropo w der on properties o fmu llite-corundum castables/L iH ongbo, Zhao Jizeng,Chen Q i//Na i h uo Ca ili a o.-2007,41(6):435

Mu llit e-co rundum c a s t a b l e s f o r de su l p huri z i n g l a nc e w e r e p r e pa r ed us i n g m u llit e M45(10~5m m,5~3 m m),f u se d m u llite(3~1mm, 1m m)a s ag g r e g a te s,a nd c o r und um p ow d e r( 0.074mm),fused m u llite pow de r( 0.074m m),p ur e ca l c i u m a l u m i a nte, A l2O3m i c r o pow de r(d50=2.11 m),m i c ros ili c a(d50= 1.07 m)a s m a tri x.The e ffe c ts o fm i c ros ili c a a dd iti o ns(2%,3%,4%,5%)a nd A l2O3m i c r op ow de r a dd i ti o ns(2%,4%,6%)o n bu l k d e ns i t y,a pp a re nt p o ros ity,s tr e ng th,p e r m a ne n t li n e a r c ha ng e r a te,the r m a l sho c k r e s i s t a nce a nd s l a g r e s i s ta nc e w e r e i n ve s ti g a ted.The re su lt s show tha:t(1)O n l y ad d i n g m i c ros ili c a, bu l k de ns ity,s tr e ng th a nd s l a g res i s tance o f m u llite-co r und um ca s tab l e s a re m i p r o ved,w h il e a ppa r e n t po r o s ity a nd the r m a l shoc k r e s i s ta nce de c r ea se w ith the i n c r e a se o f m i c r o s ili c a ad d i t i o n fr om2%to5%.

(2)Add i n g2%~6%o f A l2O3m i c rop ow d e r i n to the spe c m i e ns w ith3%m i c r o s ili c a,the p r o pe rti e s o f the spe c m i e ns a re o bv i o us l y m i p r o ved,b ut they d o n t i n c r e a se w ith the i n c rea se o f A l2O3m i c r o pow de r add iti o n.

Key wor ds:M i c ros ili c a,A l u m i n a m i c r o pow de r,M u llite-c o rundum c a s t a b l e s,De su l p huri z i n g l a nce

Author s addr ess:Ea s t C h i n a Un i v e r s it y o f S c i e nc e a nd Te chno l o g y,Sha ng ha i200237,C h i n a