鈦鋁酸鈣對環保炮泥性能的影響

王凌云，邱文冬，梁永和，崔秀君，尹玉成

(1.上海寶鋼工業技術服務有限公司，上海 201900；2.武漢科技大學 省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，湖北 武漢 430081)

炮泥是保證高爐出鐵順利進行的關鍵耐火材料，起到堵塞出鐵口，延長出鐵口深度，保護爐缸側墻的作用。傳統炮泥多采用煤焦油和煤瀝青作為結合劑，在高溫使用過程中產生大量煙氣，導致爐前作業環境差，且煙氣中含有強致癌物質苯并［a］芘（BaP），對人體健康產生巨大危害。隨著環保意識的提高，越來越多的科研工作者開始呼吁使用環保型炮泥。鈦鋁酸鈣作為爐外冶煉法生產鈦鐵合金的爐渣，是一種多物相復合材料，多年來一直被作為廢棄物堆放，不但占用大量的土地資源，而且還會對土壤和水資源造成難以修復的破壞。因此，為響應“和諧美麗”的國家發展戰略，降低炮泥成本，實現固廢資源的循環利用，文章首先對鈦鋁酸鈣的各項性能進行了研究，之后探究了鈦鋁酸鈣取代棕剛玉在炮泥中使用的可行性，分析了鈦鋁酸鈣加入量對炮泥性能的影響。

1 鈦鋁酸鈣的性能研究

1.1 理化性能

表1所示為鈦鋁酸鈣骨料相應的理化性能。由表1可知：鈦鋁酸鈣中主要化學成分有Al2O3、CaO與TiO2，還含有少量的SiO2、MgO、Fe2O3等雜質成分，且Al2O3的含量達到70wt%以上，顆粒體積密度較高。

表1 鈦鋁酸鈣的理化性能

1.2 物相組成

鈦鋁酸鈣不同溫度下的XRD圖譜如圖2所示。根據圖 2（a）所示，常溫下鈦鋁酸鈣主晶相為 CA6，Ca（（Al0.84Ti0.16）2）6O19和 CA2。CA6、CA2作為 Ca-Al體系中的Al2O3含量較高的物相，其熔點很高，性能優良，廣泛應用于耐火材料相關領域。經過1400℃熱處理后如圖2（b）所示，鈦鋁酸鈣中的 Ca（（Al0.84Ti0.16）2）6O19和 CA2物相基本消失，出現了TiO2、CaTiO3和Al2O3物相。說明試樣隨著溫度的升高，Ca（（Al0.84Ti0.16）2）6O19不穩定發生分解，生成了 TiO2、CaTiO3和 Al2O3，CA2的消失也說明 CA2與Al2O3發生了反應生成了CA6。

圖1 鈦鋁酸鈣經不同溫度熱處理后的XRD圖譜

2 鈦鋁酸鈣在環保炮泥中的應用研究

2.1 實驗原料及方案

制備環保炮泥所采用的主要原料為：粒度為3～1、1～0mm、200 目的棕剛玉、鈦鋁酸鈣；粒度為 1～0mm、200目和800目的碳化硅；粒度≤3mm的焦炭；混合細粉為粒度為200目的粘土、絹云母、氮化硅鐵、高溫環保瀝青以及粒度為60～120目的藍晶石，結合劑采用環保樹脂。鈦鋁酸鈣取代棕剛玉的含量分別為0、35%、100%制備 4 組試樣，依次標注為 R0、T0、T1、T2。控制炮泥的馬夏值一致后出料并記錄所加入的樹脂量。按照GB/T 2997-2000（2004）測定試樣的體積密度和顯氣孔率；按照GB/T3001-2000測定試樣的常溫耐壓強度；按照GB/T5988-2004測定試樣的線變化率。物相分析采用X射 線 衍 射 儀 （XRD，X"pertPowder,PANalytical，The Netherlands）。

2.2 鈦鋁酸鈣對炮泥性能的影響

鈦鋁酸鈣加入后對炮泥常溫物理性能的影響見圖2。由圖 2（a）可知：經1100℃熱處理后，試樣呈現收縮且收縮量 T1＞T2＞T0＞R0，經過 1400℃和 1400 ℃重燒熱處理后，試樣線膨脹率保持一致為 T2＞T1＞T0。由圖 2（b）、（c）、（d）可知炮泥在經過不同溫度處理后，顯氣孔率T1＞T2＞T0＞R0，體積密度 R0＞T0＞T2＞T3，耐壓強度 T0＞T2＞T1。

圖2 鈦鋁酸鈣對炮泥的常溫物理性能的影響

鈦鋁酸鈣原料本身的顯氣孔率高于棕剛玉（6.1%），密度低于棕剛玉（3.53g/cm3），故炮泥在引入鈦鋁酸鈣后顯氣孔率增加，體積密度降低。T1試樣顯氣孔率最大的原因：一方面是由于樹脂加入量最多，碳化后產生的收縮最大；另一方面是由于鈦鋁酸鈣與棕剛玉熱膨脹系數不同，在加熱過程中，由于熱膨脹系數失配會導致試樣內部產生裂紋。T1試樣中鈦鋁酸鈣取代棕剛玉量達75.9%，因此試樣內部生成由于熱膨脹系數不一致所導致的微裂紋最多，而T2試樣骨料僅含鈦鋁酸鈣，大顆粒熱膨脹系數單一，裂紋產生量較少。因此，T1試樣顯氣孔率最大，體積密度和耐壓強度最低。

試樣在經過1400℃熱處理后藍晶石的分解和SiO2與Al2O3反應會生成莫來石，而鈦鋁酸鈣則會發生如上述圖2和式（1）所示反應，其所含的CA2與原料中的Al2O3發生反應生成CA6相。莫來石和CA6的生成大大彌補了結合劑碳化和燒結過程產生的收縮，產生一定體積膨脹，加入量越多，相應的膨脹量越大，故膨脹量T2＞T1＞T0。對于鈦鋁酸鈣含量不同的炮泥試樣，隨著溫度的升高結合劑碳化，使得顯氣孔率大大增加，體積密度大大降低。當溫度達到1400℃后，由于莫來石和CA6的生成產生的體積膨脹抵消了部分氣孔，由表1可知，引入的鈦鋁酸鈣雜質相含量較高，在高溫作用下會促進液相燒結，進而填充一定的氣孔，使得顯氣孔率得以降低，體積密度有所增加。

3 結 語

（1）鈦鋁酸鈣的主要化學成分為Al2O3，主要物相組成為 CA6，Ca（（Al0.84Ti0.16）2）6O19和 CA2，具有良好的理化性能。

（2）將鈦鋁酸鈣取代棕剛玉加入環保炮泥中，保持試樣的馬夏值不變，隨著結合劑加入量的增加，試樣的顯氣孔率增大，體積密度降低，常溫耐壓強度也有所下降；僅取代大顆粒時試樣的各項性能變化不大。

（3）從降低成本、保護環境、資源的再生利用角度考慮，鈦鋁酸鈣取代棕剛玉在炮泥中的應用具有可行性。