SiO2 超微粉等外加劑對剛玉質可塑料性能的影響

王京京，朱厚亮，王 成

（濮陽濮耐高溫材料（集團）股份有限公司，河南 濮陽457100）

目前，礦熱爐冶煉的爐渣比例高達80%以上，為了提高金屬回收率，冶煉溫度由1 470～1 500 ℃提升到1 500～1 550 ℃，出渣次數增多、出鐵次數減少。本文所開發的剛玉質可塑料是以磷酸鹽為結合劑的塑性耐火材料，使用溫度在1 500 ℃以上，主要用于礦熱爐出鐵口的修補與鑄造工藝用澆包內襯的熱修與冷修，可塑性較好，施工方便，不僅維修成本較低，且維修快速便捷，使用性能較好。

本工作的目的是試驗SiO2超微粉、藍晶石及不同的磷酸鹽結合劑對剛玉質可塑料常溫及高溫性能的影響，開發出保存期長、施工性能良好、使用性能優越的剛玉質可塑料。

1 試驗

1.1 原料

試驗用原料有高鋁礬土、剛玉、SiO2超微粉和藍晶石（80 目），原料的理化性能如表1 所示。

1.2 試驗方法

按照表2 的配方稱料， 將物料分為1#～5#五組。先將骨料加入到輪碾機中攪拌2 min，加入結合劑總量的30%預混3 min，再加入粉料攪拌5 min，最后加入剩余的結合劑混合均勻， 待達到要求的可塑性指數（75%～80%）后取出，密封保存24 h，然后搗打成標準試樣（160 mm ×40 mm× 40 mm）與坩堝試樣Φ100 mm×100 mm～Φ45 mm×65 mm。

表1 原料的理化性能

表2 試樣的配料組成 （wt%）

采用YB/T 5200-93《致密耐火澆注料顯氣孔率和體積密度試驗方法》、YB/T 5117-93《黏土質和高鋁質耐火可塑料線變化率試驗方法》、YB/T 5118-93《黏土質和高鋁質耐火可塑料強度試驗方法》檢測燒成后試樣的體積密度、線變化率、常溫抗折強度、常溫耐壓強度以及1 500 ℃的高溫抗折強度， 采用靜態坩堝實驗法測試試樣的抗渣侵蝕性能。

保質期試驗：將剛玉質可塑料密封保存，每隔7 d 測試可塑性指數， 直至可塑料的可塑性指數小于15%為止，記錄保存時間。

2 結果與討論

2.1 SiO2 超微粉、結合劑、藍晶石對剛玉質可塑料保存期的影響

隨著保存時間延長，1#～5#剛玉質可塑料可塑值的衰減如圖1 所示：添加磷酸鹽結合劑A（1#）的試樣保存期最短（只有9 周）；將結合劑由磷酸鹽A 換成磷酸鹽B（4#），試樣保存期由9 周延長至21 周；試樣保存時間隨SiO2超微粉加入量的增加而延長，添加3%的SiO2超微粉，試樣的保存期＞24 周。

圖1 剛玉質可塑料的可塑性指數隨時間的變化圖

2.2 SiO2 超微粉、結合劑、藍晶石對剛玉質可塑料體積密度的影響

由圖2 可知：試樣經1 000 ℃燒后，材料內部的結合水被排出， 體積密度略有降低， 經1 500 ℃燒后，材料內部產生燒結，試樣的體積密度變大。 在材料內添加1%～3%的SiO2超微粉，試樣的體積密度隨著SiO2超微粉加入量的增加而降低；兩種磷酸鹽結合劑A、B 對試樣燒后的體積密度影響不明顯。

2.3 SiO2 超微粉、結合劑、藍晶石對剛玉質可塑料線變化率的影響

由圖3 可知，添加SiO2超微粉、磷酸鹽A、磷酸鹽B， 對試樣經110 ℃、1 000 ℃、1 500 ℃熱處理后的線變化率影響不大， 在材料內添加7%的藍晶石，試樣1 500 ℃熱處理后的線收縮明顯小于未添加的試樣。 藍晶石在加熱至1 300～1 350 ℃時不可逆地轉變為莫來石和SiO2[1]：

圖2 試樣烘干及燒后體積密度圖

3Al2O3·SiO2（藍晶石族礦物）→3Al2O3·2SiO2（莫來石）+SiO2

圖3 不同結合劑結合的試樣烘干及燒后線變化率圖

在藍晶石莫來石化的過程中伴隨16%～18%的體積膨脹，因此，在材料內添加藍晶石會降低材料的線收縮率。

2.4 SiO2 超微粉、結合劑、藍晶石對剛玉質可塑料常溫物理強度的影響

圖4 為試樣經不同溫度熱處理后的常溫耐壓強度，由圖可知，與1#試樣相比，在材料內添加SiO2超微粉的2#、3#試樣經110 ℃、1 000 ℃、1 500 ℃熱處理后的耐壓強度隨著SiO2超微粉加入量的增加而降低。 將結合劑由磷酸鹽A 替換成磷酸鹽B，試樣1 000 ℃熱處理后的常溫耐壓強度提高，1 500 ℃熱處理后的常溫耐壓強度略有降低。 在試樣中添加7%的藍晶石，1 500 ℃熱處理后的常溫耐壓強度有所降低。

2.5 SiO2 超微粉、結合劑、藍晶石對剛玉質可塑料高溫抗折強度的影響

圖5 為試樣1 500 ℃的高溫抗折強度， 由圖可知， 試樣1 500 ℃的高溫抗折強度隨著SiO2超微粉加入量的增加而降低，將結合劑由磷酸鹽A 更換為磷酸鹽B， 材料1 500 ℃的高溫抗折強度變化不大；添加7%的藍晶石，試樣的高溫抗折強度由3.5 MPa降至2.7 MPa。

圖4 試樣經不同溫度熱處理后的常溫耐壓強度圖

圖5 試樣1 500 ℃高溫抗折強度圖

圖6 為1#～5#試樣經1 500 ℃×3 h 熱處理后試樣內部的顯微結構照片，由圖可知：添加磷酸鹽A 的1#試樣與添加磷酸鹽B 的4#試樣，內部存在的氣孔較少； 添加SiO2超微粉的2#、3#試樣內部的氣孔隨著SiO2超微粉加入量的增加而增加， 這應該是因為： 結合劑加入量隨SiO2超微粉含量的增加而增加，高溫下結合劑蒸發后會留下大量的氣孔，導致材料結構變得疏松；5#試樣中的微裂紋相比于1#和4#略有增加， 這主要是藍晶石在高溫下發生分解膨脹所致。 在試樣中添加SiO2超微粉與藍晶石，試樣1 500 ℃的高溫抗折強度與燒后常溫耐壓強度均有所降低。

圖6 試樣經1 500 ℃燒后的SEM 照片

2.6 SiO2 超微粉、結合劑、藍晶石對剛玉質可塑料抗礦熱爐爐渣侵蝕性能的影響

選取1#、3#、4#、5#試樣 經1 500 ℃×3 h 熱處理后， 采用靜態干鍋實驗法對比試樣1 500 ℃×3 h 的抗渣侵蝕性，試驗結果如圖7 所示。 由圖可知：使用不同的結合劑或在材料中添加一定的SiO2超微粉、藍晶石對其抗礦熱爐爐渣侵蝕性能影響不大。

圖8 為抗渣試驗后3#坩堝過渡層的顯微照片。由圖8（a）可知：1 500 ℃時，在試樣與礦熱爐爐渣的接觸面形成一層致密的尖晶石帶（圖中標注為B），有利于阻止熔渣（圖中標注為A）向試樣內部滲透。 針對圖8（a）進行Al、Si、Mg 三種元素的面掃描，掃描結果分別如圖8（b）、（c）、（d）所示，結果顯示：Al 元素呈分布均勻狀態，Si 元素在尖晶石帶的左面分布較集中，在尖晶石帶的右面分布較少（試樣中添加的SiO2超微粉）， 而只有爐渣含有的Mg 元素則集中分布在尖晶石帶的左面，界限較清晰，在試樣內部滲透較少。

圖7 試樣1 500 ℃抗渣侵蝕照片

圖8 3# 試樣過渡層的顯微結構照片

3 結論

（1）將剛玉質可塑料的結合劑由磷酸鹽A 換為磷酸鹽B，物料的保存時間可明顯延長（由9 周提高至21 周），試樣1 500 ℃高溫抗折強度變化不明顯。

（2）在剛玉質可塑料中添加1%～3%的SiO2超微粉，在保證相同的出鍋可塑值的情況下，結合劑加入量及保存時間隨著SiO2超微粉加入量的增加而增加，烘干及燒后的體積密度、耐壓強度、1 500 ℃高溫抗折強度均隨SiO2超微粉加入量的增加而降低。

（3）在剛玉質可塑料中添加一定量的藍晶石，試樣的體積密度變化不大，1 500 ℃燒后的線收縮率減小，烘干及1 000 ℃燒后耐壓強度略有增加，但1 500℃燒后的常溫耐壓強度及高溫抗折強度略有降低。

（4）改變磷酸鹽結合劑品種（A 和B）、添加SiO2超微粉或藍晶石對剛玉質可塑料抗礦熱爐爐渣的侵蝕性能影響不大。