超低水泥鐵溝澆注料的研究及工業化應用

李德民，楊 強，王義龍，張宏進，涂軍波

（1.唐山市國亮特殊耐火材料有限公司，河北 唐山 063021；2.華北理工大學材料學院，河北 唐山 063009）

現階段高爐大多使用氧化鋁-碳化硅-碳質鐵溝澆注料，隨冶煉技術的進步，一次通鐵量從最初幾萬噸增長到十幾萬噸，這對鐵溝料的性能也提出了更高的要求，出鐵溝侵蝕最快的部位是沖擊區部位，除熱震、鐵水沖刷、氧化外，鐵溝損毀主要是鐵水與鐵渣的高溫侵蝕。鐵水冶煉過程中會生成較多的二氧化硅，氧化鈣（其中氧化鈣的主要來源就是水泥）、二氧化硅和氧化鋁會共同反應形成鈣長石、鈣黃長石（使用溫度下為液相）或鋁酸鈣等低熔相，這些低熔相很大程度地降低了鐵溝料的高溫使用性能，嚴重影響產品的抗侵蝕性，進而影響使用壽命，低熔相生成的同時還會消耗作為基質的氧化鋁微粉，基質被消耗侵蝕后，起骨架作用的骨料顆粒也會隨之松動剝落，從而使產品結構遭到破壞。目前，高爐鐵溝大多采用以高純鋁酸鈣水泥為結合劑的氧化鋁-碳化硅-碳質澆注料，不可避免地引入氧化鈣，從而在高溫使用過程中形成低熔相，如果不使用水泥，只采用氧化鋁微粉和硅微粉等超微粉結合，常溫脫模強度又較低，滿足不了施工要求，雖然有報道采用ρ-Al2O3結合（水硬性氧化鋁），溶膠凝膠（硅與鋁）結合制得鐵溝澆注料，但在現場施工中存在凝固快和控制困難等問題，因此并沒有得到普遍的應用，水泥還是現階段鐵溝料主要的結合劑[1-8]。因此，研制超低水泥結合的Al2O3-SiC-C 鐵溝澆注料，配合超微粉，在保證常溫脫模強度的前提下，盡可能地減少氧化鈣的引入，既保證澆注成型、脫模后不損毀，又通過減少澆注料在高溫下的低熔物來提高材料的高溫強度和使用性能，可以很好的抵抗鐵水和熔渣的侵蝕，從而延長鐵溝的使用壽命。

1 實 驗

1.1 原 料

試驗主要原料有：電熔棕剛玉，白剛玉，碳化硅，硅微粉、球瀝青、塞卡71水泥、金屬硅粉，活性Al203微粉，主要原料化學組成見表1。

表1 主要原料化學組成 %

1.2 試樣制備

以棕剛玉、白剛玉為主料，以白剛玉、碳化硅、氧化鋁等為基質，以水泥為結合劑，逐漸增加水泥含量，按質量分數為0、0.4%、0.6%、1%、1.5%，差值用白剛玉粉補足，制備成澆注料分別標記為1#、2#、3#、4#、5#，具體試樣配比見表2。

表2 配方主要原料組成 %

按照表2所示配方配料，將配好的物料干混60 s，加入相同量的水（滿足施工要求為標準，實驗加入4.5%）后再濕混120 s。將物料攪拌均勻，在振動臺上震動成型，制得尺寸為40 mm×40 mm×160 mm 的長條試樣，經過常溫帶模養護24 h后，脫模，之后在110℃恒溫烘箱中干燥24 h，然后分別在空氣氣氛下，加熱到1 500 ℃，并保溫3 h燒成，然后，隨爐自然冷卻到室溫。

1.3 性能檢測

按照 GBT5072—2008、GBT2997—2000 對干燥后和燒成后試樣的體積密度和顯氣孔率進行測量，按照YB/T5201—1993對試樣的耐壓強度指標進行測量，按照GB/T3002—1982檢測試樣的高溫抗折強度（空氣氣氛，1 450 ℃保溫1 h）。用掃描電鏡EVO18 觀察試樣的高溫抗折斷口的顯微結構。

2 結果分析與討論

2.1 對澆注料體積密度和顯氣孔率的影響

不同溫度熱處理后試樣的體積密度和顯氣孔率隨水泥加入量的變化情況如圖1所示。從圖1（a）中可以看出，澆注料在經過110 ℃保溫24 h處理后，氣孔率呈現逐漸降低的趨勢；經過1 500 ℃保溫3 h處理后，氣孔率呈現逐漸增高的趨勢；從圖1（b）可以看出，澆注料在經過110 ℃保溫24 h后，體積密度呈現逐漸增加趨勢；澆注料在經過1 500 ℃保溫3 h 后，體積密度呈現逐漸降低的趨勢；這是因為：隨著水泥引入量的增大，形成的水化產物量增加，常溫氣孔率下降，體密逐漸增大；溫度升高時，水化產物相脫水產生氣孔，使得材料結構疏松，結構致密性降低，所以高溫后氣孔率增加，體積密度逐漸減小。

2.2 對澆注料常溫冷態強度的影響

不同溫度熱處理后試樣的冷態抗折耐壓強度隨水泥加入量的變化見圖2。可以看出：隨著水泥加入量的增加，110 ℃干燥后試樣的冷態常溫抗折強度、耐壓強度均增大；1 500 ℃燒后試樣的冷態抗折強度、耐壓強度均減小。影響試樣強度的因素較多，包括致密度、物相組成、顯微結構等。干燥及燒后試樣的冷態強度隨水泥加入量變化的原因，分析可能是隨著溫度提高，水泥的水化相脫水會產生氣孔，使得材料結構致密度降低，所以高溫冷態抗折耐壓強度呈下降趨勢。

2.3 對澆注料高溫抗折強度的影響

水泥加入量對澆注料高溫抗折強度的影響如圖3所示。從圖3可看出，隨著水泥加入量的增加，試樣的高溫抗折強度逐漸減小，當水泥加入量超過1%時，高溫抗折強度下降幅度增大，這是因為水泥加入量提高，高溫下會形成鈣黃長石等低熔物含量增多，使得高溫抗折強度下降。圖4是添加水泥1.5%試樣高溫抗折斷口顯微結構照片，圖4中可以看出低共熔相形成較多，莫來石結合相較細小；圖5是添加0.6%水泥試樣的高溫抗折斷口顯微照片，可見試樣中低共熔相形成很少，形成發育良好的莫來石晶相，莫來石晶相對澆注料高溫抗折強度的改善是非常有利的。

圖1 不同含量水泥試樣的顯氣孔率和體積密度

圖2 不同含量水泥試樣的冷態抗折及耐壓強度

圖3 不同含量水泥試樣的高溫抗折強度

圖4 水泥加入1.5%配方高溫試樣斷口的顯微結構照片

圖5 水泥加入0.6%配方高溫試樣斷口的顯微結構照片

通過實驗，水泥加入量太少，常溫脫模強度得不到保證，加入量高，高溫性能會變差。綜合上述性能，水泥在Al2O3-SiC-C鐵溝澆注料中最佳加入量為0.6%。

3 工業試驗和應用

在實驗室研究結果的基礎上，將添加水泥0.6%的方案在某鋼鐵公司進行工業試驗。其高爐容量為1 080 m3，其主溝到小坑長14.5 m，渣溝11 m，共用料73 t，其中主溝用49 t，使用至下次套拆，共使用84 天出鐵量約16.5萬t，取得了較好的使用效果。

4 結 論

（1）減少水泥加入量，能提高鐵溝澆注料的高溫性能，主要原因是減少低共熔物鈣黃長石的生成，在澆注料中生成交錯網狀莫來石晶體從而提高高溫性能。水泥加入量為0.6%時，澆注料綜合性能較好。

（2）在此基礎上生產的鐵溝澆注料，取得較好的工業試驗效果。