鋁灰合成Sialon復合粉對鐵溝澆注料性能的影響

蔡鄂漢,李遠兵,孫 莉,金漢僑,趙 雷,李亞偉,李淑靜

(武漢科技大學耐火材料與高溫陶瓷國家重點實驗室培育基地,湖北武漢,430081)

隨著高爐的大型化和冶煉新技術、新工藝的應用,出鐵溝襯耐火材料的性能對溝襯的使用壽命和爐前作業起著決定性的作用。目前,國內大、中型高爐出鐵溝主要以A l2O3-SiC-C質澆注料為主[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,導致澆注料流動性下降,從而影響A l2O3-SiC-C質澆注料強度、抗氧化性及抗渣性。為此,本文擬以用工業固體廢棄物鋁灰為原料所制得的4種Sialon復合粉分別替換鐵溝料中的部分細粉,研究加入Sialon復合粉對鐵溝澆注料性能的影響。

1 試驗原料及方法

試驗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成分如表1所示。試驗中添加的4種Sialon復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復合粉體分別為:①采用熔鹽法鋁灰合成的純Sialon粉體,標記為試樣MSP,其主要物相為O′-Sialon和β-Sialon;②采用熔鹽法鋁灰合成的Sialon復合粉體,標記為試樣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復合粉體,標記為試樣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的模具內振動成型,在室溫下養護24 h后脫模,經110℃×24 h烘干處理后,再取其中部分試樣進行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、抗折強度、耐壓強度等常溫物理性能以及高溫抗折強度。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、抗折強度和耐壓強度。

表1 主要原料的化學成分(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 結果與分析

2.1 Sialon復合粉對試樣常溫物理性能的影響

圖1示出了不同加入量(質量分數,下同)的MSP對鐵溝澆注料顯氣孔率、體積密度、抗折強度和耐壓強度的影響。從圖1(a)和圖1(b)中可見,與未添加Sialon復合粉的試樣比較,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燒后試樣的抗折強度和耐壓強度均有顯著提高,尤其當加入量為7%時,MSP對澆注料強度改善效果最佳;但加入MSP對1 100℃×3 h燒后試樣的強度沒有明顯改善。

圖1 MSP加入量與試樣常溫物理性能的關系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、抗折強度和耐壓強度的影響。從圖2(a)和圖2(b)中可見,與未添加Sialon復合粉的試樣比較,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燒后試樣的強度先增大后降低,在MSC加入量為3%時試樣抗折強度最大;1 100℃×3 h燒后試樣的抗折強度則在MSC加入量為1%時最低,MSC加入量為7%時最大。從圖2(d)中可以看出,加入MSC使3類試樣的耐壓強度均增大,其中1 450℃×3 h燒后試樣耐壓強度的改善最明顯,尤其在MSC加入量為3%時,試樣的耐壓強度最大。

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、抗折強度和耐壓強度的影響。從圖3(a)和圖3(b)中可見,與未添加Sialon復合粉的試樣比較,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燒后試樣抗折強度的影響不大。從圖3(d)中可見,加入EAP使試樣的耐壓強度呈增大趨勢,尤其是EAP加入量為5%時,110℃烘后和1 100℃×3 h燒后試樣的耐壓強度顯著增大,但此時1 450℃×3 h燒后試樣的耐壓強度變化不大。

圖2 MSC加入量與試樣常溫物理性能的關系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、抗折強度和耐壓強度的影響。從圖4(a)和圖4(b)中可見,與未添加Sialon復合粉的試樣比較,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℃烘后試樣的抗折強度影響不大;1 100℃×3 h、1 450℃×3 h燒后試樣的抗折強度則隨EAC加入量的增加先增大后減小,并且均在EAC加入量為1%時試樣抗折強度最大。從圖4(d)中可以看出,與未添加Sialon復合粉的試樣比較,除EAC加入量為3%的試樣外,其余試樣110℃烘后的耐壓強度均增大;1 100℃×3 h、1 450℃×3 h燒后試樣的耐壓強度則均在EAC加入量為1%時最大。

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

2.2 Sialon復合粉對試樣高溫抗折強度的影響

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

圖5 Sialon加入量與試樣高溫抗折強度的關系Fig.5 Relationship between Sialon powder content and hot modulus of rupture of castables

2.3 Sialon復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、抗折強度和耐壓強度。從圖6(a)中可見,與未添加Sialon復合粉的試樣比較,Sialon復合粉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%時試樣的顯氣孔率降低,加入量為7%時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復合粉的試樣比較,加入Sialon復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復合粉的試樣比較,加入Sialon復合粉使氧化后鐵溝澆注料的抗折強度升高,尤其是在Sialon復合粉加入量為1%和3%以及EAP、MSC和EAC加入量為5%時氧化后試樣的抗折強度較未添加Sialon復合粉試樣有顯著升高。由圖6(d)中可知,與未添加Sialon復合粉的試樣比較,除EAP加入量為3%和5%以及MSC加入量為5%的試樣外,加入Sialon復合粉均使氧化后鐵溝澆注料的耐壓強度降低。

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燒后試樣的抗折強度,并且可以提高1 450℃×3 h燒后試樣的耐壓強度;加入EAP可以提高鐵溝料110℃烘后和1 100℃×3 h燒后試樣的抗折強度以及110℃烘后和1 450℃×3 h燒后試樣的耐壓強度;加入EAC可以提高鐵溝澆注料1 100℃×3 h、1 450℃×3 h燒后試樣的強度。

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

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

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