尖晶石對剛玉尖晶石質澆注料性能的影響

秦 巖，王亞娟，望伊濤，張普杰

(濮陽濮耐高溫材料(集團)股份有限公司,濮陽 457100)

0 引 言

剛玉尖晶石質澆注料因具有優良的抗渣侵蝕性、抗渣滲透性和抗結構剝落性能而被廣泛應用于大型鋼包，并取得引人注目的使用效果，成為世界鋼包內襯的主流[1-2]。在發達國家和地區，通過對鋼包內襯采用鋁鎂質噴射澆注料進行噴射造襯，鋼包內襯的使用壽命已經提高到500爐次以上[3]。為了提高鋼包使用壽命，需要對鋼包內襯進行修復，本文對鋼包內襯噴射修復用剛玉尖晶石質澆注料進行了一些基礎研究，主要研究了加入不同粒度的尖晶石對剛玉尖晶石質澆注料性能的影響，經過大規模的應用證實加入的尖晶石越細小，越有利于提高澆注料的使用壽命。

1 實 驗

1.1 原材料

采用燒結剛玉、活性氧化鋁微粉、純鋁酸鈣水泥、鋁鎂尖晶石等為主要原料，所用原料的主要化學成分見表1。

表1 試驗用原料主要成分Table 1 Main chemical composition of raw materials for experiment /wt%

1.2 實驗過程及試樣的制備

按表2中的配方配制材料，研究依次添加不同粒度的尖晶石的澆注料與不含尖晶石的剛玉澆注料在各項常溫性能和高溫性能的變化與差異。

表2 澆注料試驗配方Table 2 Test formulas of castable /wt%

按表2中的配方GBPZ-A～D各配料20 kg，分別在攪拌機內加水攪拌，固定加水量為5.5%，攪拌均勻后取樣5 kg檢測澆注料的流變性能，然后按照自流澆注料制樣標準制樣，按照相關標準檢測試樣110 ℃烘干及1 500 ℃燒后的線變化、強度等數據。

按相關標準將1 500 ℃燒后試樣加熱到1 500 ℃保溫1 h并做高溫抗折強度檢測。

按相關標準對1 500 ℃燒后試樣進行三次水冷熱震，然后檢測試樣的常溫抗折強度，計算試樣的抗折強度保持率。

用靜態坩堝法進行抗渣試驗，將鋼包渣裝入坩堝試樣中，在1 500 ℃保溫3 h冷卻后，切開坩堝，觀察鋼包渣對坩堝側壁的侵蝕和滲透深度。并用SEM對鋼包渣侵蝕后的試樣進行分析。渣的化學成分見表3。

表3 渣的主要化學成分Table 3 Main chemical composition of slag /wt%

2 結果與討論

2.1 流變性能

圖1為澆注料的流變性能檢測結果。由圖1可知，使用10%的0～1 mm 的電熔尖晶石取代相同數量和相同粒度的板狀剛玉后，澆注料的流變性能略微變差。使用10%的320目電熔尖晶石或者微米級尖晶石細粉取代相同數量的板狀剛玉細粉后，澆注料在相同轉速下的剪切力矩明顯降低，這說明澆注料的流變性能得到明顯改善。但加入微米級尖晶石粉的澆注料在相同轉速下的剪切阻力高于添加 320目電熔尖晶石的澆注料，這是因為試樣的超細粉含量偏多，增大了泥料的粘塑性，因此使得泥料在相同轉速下的剪切扭矩增大。綜上，添加320目或微米級的電熔尖晶石細粉，都有利于降低澆注料的剪切阻力，有利于澆注料的泵送施工。而加入微米級尖晶石粉的澆注料因具有一定的粘塑性，降低了澆注料放置過程中泥料泌水的可能，更有利于澆注料的泵送噴射施工。

圖1 澆注料流變試驗檢測結果
Fig.1 Rheological curves of castable

圖2 澆注料線變化率檢測結果
Fig.2 Linear change rate of castable

2.2 常溫物理性能

圖2是燒注料的線變化率檢測結果，由圖可知，加入的尖晶石粒度越細小，材料高溫燒后的膨脹幅度越小，這與剛玉向尖晶石中固熔有關。因為高溫下，材料中的剛玉、鋁微粉與水泥中的CaO反應生成CA6，產生較大的體積膨脹，而剛玉向尖晶石中的少量固熔促進了材料的燒結[4-5]，所以尖晶石粒度越細小，比表面積越大，跟氧化鋁接觸面積越多，越有利于氧化鋁向尖晶石中固熔，使膨脹幅度有所降低，再者微米級超細尖晶石具有較好的燒結活性[6-7]，促進了材料的燒結。

圖3是燒注料的強度檢測結果，由圖可知，加入0～1 mm 的尖晶石或者加入320目的尖晶石，對材料的常溫強度影響并不明顯。但加入微米級尖晶石細粉，明顯提高了材料的烘干強度和燒后強度。這主要是因為微米級的尖晶石晶粒，比表面積大，改善了基質間的結合狀態，有利于氧化鋁向尖晶石表面少量固熔，從而提高材料的結合強度。

圖3 澆注料常溫抗折強度檢測結果
Fig.3 Normal temperature flexural strength of castable

圖4 澆注料高溫抗折強度檢測結果
Fig.4 High temperature flexural strength of castable

2.3 高溫物理性能

圖4是澆注料的高溫抗折強度檢測結果，由圖可知，加入320目尖晶石細粉和加入微米級尖晶石細粉的試樣的高溫抗折強度相對較高，這是因為尖晶石的粒度越細小，越有利于促進澆注料的燒結，并降低了因Al2O3和CaO反應生成CA6帶來的體積膨脹幅度，增加了材料的致密度，從而提高了高溫結合強度。圖5是試樣的殘余強度檢測結果，由圖可知，加入尖晶石有利于提高材料的抗熱震性能，并且引入的尖晶石粒度越細小，試樣的抗熱震性能越好。這是因為剛玉與尖晶石存在著熱膨脹系數的差異，在試樣高溫燒成后冷卻時，尖晶石和剛玉周圍會產生細小裂紋，這提高了材料的抗熱震性能[8-9]。

圖6是材料的抗渣侵蝕坩堝切面圖,可以看出，C和D試樣的坩堝壁殘厚相對較厚，這說明加入尖晶石細粉更有利于提高材料的抗侵蝕能力。圖7是抗渣試樣SEM照片，由圖可以看出，不添加尖晶石的試樣中，鈣鋁黃長石類低融物呈片狀聚集(圖中呈現為白色的區域，如圖7(a))。添加的尖晶石越細小，試樣中的低熔物越分散。材料在高溫下使用時，這些低熔物熔化成液態，導致材料內部結合強度降低，抗高溫鋼水、鋼渣的侵蝕性能也隨之降低；而加入尖晶石的粒度越小，試樣基質中的鈣鋁黃長石類低融物也越分散(如圖7(d)比較明顯)，這些白色低熔點的礦物被尖晶石晶粒等高熔點物質隔離；這些低熔物在高溫下熔化，不能形成大的液態區域或氣孔，對材料的強度和致密性影響較小。因此加入的尖晶石粒度越小，越有利于提高材料的高溫抗折強度，有利于提高材料的抗熱震性能和抗渣侵蝕性能。

圖5 澆注料強度保持率檢測結果
Fig.5 Strength retention of castable

圖6 澆注料試樣靜態抗渣坩堝切面圖
Fig.6 Sections of specimens corroded by ladle slag

圖7 抗渣試樣SEM照片
Fig.7 SEM images of slag resistance samples

3 應 用

綜合材料流變性能和各項物理性能，選用GBPZ-D配方進行了工業試驗，在某鋼廠對300 t無碳鋼包在更換渣線磚后對包壁進行噴射造襯。根據現場觀察，修復后的鋼包內襯使用到30爐左右，開始在鋼包底部出現豎向裂紋，隨著使用壽命的增加，裂紋也逐漸擴展增大，使用到40爐以后，局部修補層開始呈小塊狀剝落，但跟以前使用的不添加尖晶石的澆注料相比，使用壽命延長了10爐以上，達到50爐左右。

分析出現剝落的原因：噴射修復層使用過程中，因熔渣的滲透，修復層中的Al2O3與熔渣中的 MgO、CaO、SiO2等物質發生反應，分別生成大量的尖晶石、六鋁酸鈣和鈣鋁黃長石等，使表層更致密，提高了材料抗熔渣滲透和侵蝕及抗高溫鋼水的磨損能力。但隨著修復層使用壽命的延長，其厚度也逐漸變薄，最終被熔渣完全滲透，在鋼包反復使用的過程中，被熔渣完全滲透的噴射修復層因吸收渣中的SiO2等產生較多低熔相，受鋼包周轉過程中溫度波動產生的熱震作用，開始出現裂紋，當裂紋增大增多到一定程度，隨著高溫鋼液及高溫熔渣的滲入，修復層開始出現小面積剝落。而澆注料中較多的微米級尖晶石顆粒，隔離和分散了低熔相，延長了裂紋出現的時間，提高了材料的抗侵蝕和抗剝落性能，因而延長了澆注料的使用壽命。

4 結 論

(1)剛玉尖晶石質澆注料中加入尖晶石粉料的粒度越小，越有利于改善材料的施工性能。微米級尖晶石細粉的引入增大了澆注料的粘塑性，降低了泥料在泵送過程中泌水的可能，有利于泥料施工性能的改善。

(2)加入尖晶石粉料的粒度越小，越有利于提高材料的燒結性能，降低材料的膨脹幅度，提高材料內部的結合強度。

(3)大量的微米級尖晶石顆粒分散在基質中，隔離了材料中低熔物相，提高了材料的抗渣侵蝕性能和抗熱震性能。

(4)加入微米級尖晶石的澆注料在鋼包上使用時表現出了優異的使用效果，修補一次可使用50爐左右，跟前期使用的不添加尖晶石的澆注料相比，延長了10多爐的使用壽命。