臘石鋯質磚的研發

馮昌春 王志強 張競奎

摘 要 以葉臘石、鋯英砂、回收廢鋯質磚為主要原料，用以廣西泥、木質素磺酸鈣制成的泥漿為結合劑，采用半干壓法成型制成Al2O3-SiO2-ZrO2系的電爐工作層試驗磚，通過檢測常溫耐壓強度、體積密度、顯氣孔率、抗渣性能、常溫抗折強度、高溫抗折強度、抗熱震性、熱導率等指標，研究在不同配比、拌料時間、燒成溫度下對產品性能的影響。結果表明：（1）半成品泥料的均勻程度對產品性能有很大的影響。（2）燒成溫度在1 200℃時，產品性能最穩定，能夠達到最佳的能效比。（3）特定組成的試驗配方在1 200℃燒成時有最好的檢測指標，能夠得到最好的產品。

關鍵詞 葉臘石；回收廢鋯質磚；Al2O3-SiO2-ZrO2；電爐工作層

目前世界每年產生的廢鋼總量為3～4億噸，約占鋼總產量的45%～50%，其中85%～90%用作煉鋼原料，10%～15%用于鑄造、煉鐵和再生鋼材。采用鐵礦石煉鋼每生產1 噸鋼，大致需要各種原料（如鐵礦石、煤炭、石灰石、耐火材料等）4～5噸，能源折合標準煤0.7～1.0噸。而利用廢鋼作原料直接投入煉鋼爐進行冶煉，每噸廢鋼可再煉成近1噸鋼，可以省去采礦、選礦、煉焦、煉鐵等過程，顯然可以節省大量自然資源和能源。各種煉鋼方法利用廢鋼的程度是不同的，氧氣轉爐煉鋼一般可用15%～25%的廢鋼，采用預熱廢鋼技術則可用廢鋼30%～40%；電弧爐煉鋼幾乎全部利用廢鋼作原料，所以電弧爐煉廢鋼是現在的主要發展趨勢。由于臘石磚有良好的熱震穩定性，以及抗侵蝕性、不污染鋼水和不沾渣的特點，在發達國家，用電爐鋼包冶煉特殊鋼種時，會用到高硅臘石磚作為工作層，但是使用壽命較短，我們設計在工作層臘石磚中通過引入ZrO2，利用ZrO2的相變增韌，以及微裂紋增韌原理，提高工作層的高溫性能，以期延長工作層的使用壽命。

為了節約礦物資源和能源，國內外很多企業都在進行用后耐火材料的回收再利用，在發達國家，很多鋼廠對用后耐火材料的再利用率達到了80%以上。近幾年隨著環保政策的實施、耐火材料市場競爭的加劇，國內大部分企業都已經在不同程度上利用用后的耐火材料。本研究通過對用后鋯磚經過破碎加工、除雜等處理，制備成指標穩定的較純的再生原料，然后以該原料和臘石、鋯英砂等為主要原料制備低導熱系數含鋯耐火制品。該制品的性能和使用原生礦物原料的制品大致相當，預期使用壽命較原耐材使用壽命提高50%，從而降低耐材的消耗，對礦產資源的綜合利用和降低工業窯爐使用過程中的能耗有重要意義。

1 試 驗

1.1 原料

試驗的主要原料為葉臘石顆粒、鋯英砂、回收廢鋯磚、廣西泥，其主要的化學組成見表1。

1.2 實驗過程

1.2.1 原料制備

塊狀葉臘石，采用顎式破碎機破碎，篩分出我們所需要粒度的顆粒，回收廢鋯磚，揀選除雜，破碎篩分出所需要粒度的顆粒，其他用雷蒙磨制備成325目的細粉，外購的鋯英砂粒度為0.25～0.325目、廣西泥200目，廣西泥、木質素磺酸鈣和水制備成泥漿用作結合劑。

1.2.2設計試驗配方

根據耐火材料生產經驗我們設計出3種試驗配方，配比A、 配比B、 配比C。

配料拌料，配比A、B、C各制備三組試樣，每組的拌料時間分為20min，30min，40min，然后采用電動螺旋壓力機成型，打擊次數都為一樣，對比半成品的外觀和半成品體積密度。

將成型好的試驗磚放入烘箱中在120℃烘12h以上，然后再放入電爐中，燒成時間為8h，根據材料的特性，設定三組不同的燒成溫度1 150℃、1 200℃、1 250℃，再對成品進行各項性能指標的檢測。

1.3 檢測方法

經烘干和燒成后的試樣，按照GB4758.3-84檢測線變化率、GB2997-82檢測顯氣孔率和體積密度，GB5072-85檢測耐壓強度，GB3001-82檢測常溫抗折強度，GB/T3002-2004檢測試樣在1 400℃的高溫抗折強度。

采用靜態坩堝法測抗渣性能，試驗用渣為電爐鋼渣，其化學組成見表2。

在坩堝試樣中裝入鋼渣，在1 550℃處理3h，自然冷卻，將坩堝縱向對稱切開，比較渣蝕和滲透情況，并以侵蝕指數（侵蝕面積÷坩堝孔截面積×100%）評價試驗的抗渣性。

采用水冷法測抗熱震性。檢測烘干后的試樣在1 100℃水冷5次后的抗折強度，計算其強度保持率（熱震后抗折強度÷原常溫平均抗折強度×100%），以此評價材料的抗熱震性。

用平板導熱系數測定儀測試臘石鋯質磚的導熱系數，再與其他電爐鋼包耐材做對比。

2 結果與討論

2.1 拌料時間對成品影響

分別拌料20min、30min、40min，采用同樣的方式成形。30min、40min半成品體密比20min高，40min的成品外觀比較光滑，30min、20min均有細小的裂紋產生，見表3。

裂紋詳情見圖1、圖2、圖3

拌料時間為20min、30min時，產品表面有裂紋產生，拌料時間在40min時，成品的外觀情況良好，主要原因是：臘石鋯質磚由于采用了鋯英石和葉臘石英，因而在燒成過程中極易產生開裂。主要是由于氧化鋯在高溫下發生晶形變化，產生體積膨脹，且葉臘石在高溫下分解生成二氧化硅和莫來石，產生體積膨脹，從而極易開裂。會造成生產效率低、成品合格率低、產品質量波動大。采用的應對措施：鋯英石選用0.25～0mm、0.044mm以下兩種粒級，廢鋯磚粉磨成325目，讓顆粒間的間隙吸收部分體積膨脹，降低燒成時的開裂風險?；炝媳仨殬O其均勻，所以為確保泥料的均勻性，采用沒有死角的底盤旋轉高壓力式混碾設備，并延長混料時間到40min。

拌料時間越長，半成品體積密度越高，原料的混合越均勻，成型性能越好，泥料能夠達到最緊密堆積的效果，這樣成型體密將會更好，氣孔率更低。

2.2 燒成溫度對成品影響

燒成溫度為1 150℃時，成品顏色偏白，而且常溫耐壓強度只有50MPa左右，證明成品燒成溫度較低，沒有燒透。1 200℃時，成品顏色正常，表面光潔程度較高，常溫耐壓強度在80MPa以上，燒結狀況良好。1 250℃時，成品顏色正常，耐壓強度也較高，不過磚的表面有少許低熔物溢出，證明燒成溫度過高，見圖4。

燒成溫度選擇1 200℃時能夠有最好的產品，1 150℃燒成時，已經出現莫來石化，但溫度較低，莫來石化反應不完全，所以導致產品沒有燒透，強度較低。1 200℃時，莫來石化反應比較完全，產品表面較光滑，燒結情況比較理想。1 250℃燒成時，由于原料中引入的一些雜質，有低熔相的生成，所以在磚的表面產生黑色的熔洞或者熔點，雖然性能指標上影響不大，但導致產品的外觀受到影響，而且燒成溫度過高，浪費能源就多，所以為了減少生產成本，燒成溫度設置為1 200℃是比較合理的。

選取拌料時間為40min，燒成溫度為1 200℃的各組試樣進行各項性能檢測，然后進行數據對比，檢測結果見表4。

由表4可以明顯看出配比B相對于A、C，具有較低的氣孔率、較好的抗渣侵蝕性和抗熱震性。

高溫下，液態的渣對渣線部位耐材進行滲透，在沒有其他反應發生的情況下，侵蝕主要是由滲透引起的，氣孔率較低時，抗滲透情況較好，所以B相對于A、C有較好的抗渣侵蝕性能。由于在原料中引入ZrO2，而ZrO2在1 000℃的高溫下由四方晶系轉化為單斜晶系，相應的產生1%～2%的線膨脹，會在試樣中形成一定量的微裂紋，這樣會達到相變增韌和微裂紋增韌的效果。所以配比A、配比B都有比較好的抗熱震性，配比C中引入了廢鋯磚顆粒，由于顆粒尺寸較大，相變產生的裂紋太大，起不到微裂紋增韌的效果，所以抗熱震性能較低。

電爐鋼包工作層臘石磚的導熱系數平均為0.8 W/（m.K），相對于普通鎂質碳磚的10～20W/（m.K）已經很低，保溫性能比較好，能夠減少電爐煉鋼中能量的消耗，能起到節能環保的作用，而臘石鋯質磚的導熱系數在0.9～1.0W/（m.K）之間，略高于工作層蠟石磚，節能環保。

通過成分分析可以發現，臘石鋯質磚的主要成分Al2O3、SiO2、ZrO2的質量分數之和占總量的99%以上。這樣使得電爐鋼包在使用過程中引入的雜質降到最少，能夠起到提升鋼水品質的作用。

3 結 論

（1）在生產臘石鋯質磚的時候，拌料方式與拌料時間對產品性能有很大的影響，為了保證泥料的高度均勻性，必須選擇合適的拌料設備和合理的拌料時間。

（2）燒成溫度的選擇對臘石鋯質磚的性能很重要，過高或者過低都會導致產品的性能受到影響。本試驗合適的燒成溫度為1 200℃，燒成時間為8h。

（3）使用廢鋯磚時，為了使產品有更好的性能，顆粒料必須選擇1～0的顆粒，細粉采用325目，鋯英砂為0.25～0的顆粒和325目細粉。產品的氣孔率對抗渣性能的影響很大，成品有較高的體積密度和較低的氣孔率時將有較好的使用性能。

（4）臘石鋯質磚使用過程中，節能效果與使用工作層臘石磚相當，且在電爐煉鋼過程中引入的雜質較其他材料更少，能夠起到提升鋼水品質的作用。

參 考 文 獻

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