MgCO3微粉對(duì)剛玉質(zhì)彌散型透氣磚性能的影響

邱 鑫 張仕鳴 康國(guó)衛(wèi) 賈全利 劉新紅

鄭州大學(xué)河南省高溫功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南鄭州450052

鋼包底吹氬透氣磚是爐外精煉的功能性元件，對(duì)于提高鋼水純凈度有重要作用［1－2］。目前，精煉鋼包透氣磚的類型主要為直通型、狹縫型與彌散型三種［3］。與前兩種透氣磚相比，彌散型透氣磚采用不同粒度配比從而產(chǎn)生大量貫通氣孔，具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，鋼水凈化效果好，可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性高等特點(diǎn)［4－8］，目前得到較多的推廣應(yīng)用。但因其氣孔大，顯氣孔率較高等使得彌散型透氣磚的強(qiáng)度較低，而且在進(jìn)行吹氧清洗時(shí)蝕損快，壽命短，這制約了它的應(yīng)用［9－10］。MgCO3在高溫下分解成MgO和CO2［11］，生成的MgO具有較高活性，可與基質(zhì)中的Al2O3原位反應(yīng)生成尖晶石，在一定程度上提高材料的強(qiáng)度［12］。本研究在前期工作的基礎(chǔ)上［13］，探索MgCO3加入量對(duì)剛玉質(zhì)彌散型透氣磚性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原料及試樣制備

試驗(yàn)是以w（Al2O3）＝99%、w（Na2O）＝0.32%的電熔白剛玉顆粒（1.25～1、0.5～0.3 mm）為骨料，以w（Al2O3）＝34.56%和w（SiO2）＝49.86%的廣西白泥（≤74μm）、w（Al2O3）＝99.2%的氧化鋁微粉（≤5μm）、w（Cr2O3）＞98.5%的氧化鉻微粉（≤10 μm）、電熔白剛玉細(xì)粉（≤0.088 mm）、MgCO3微粉（≤10μm）為基質(zhì)，基礎(chǔ)配比見前期工作［13］，用MgCO3粉等量取代剛玉細(xì)粉，MgCO3加入量（w）分別為0、1%、2%和3%。

按配比稱取原料，混合30 min后用50 MPa成型壓力壓制為25 mm×25 mm×150 mm和φ50 mm×50 mm的坯體試樣。坯體在室溫下養(yǎng)護(hù)8 h后再于110℃干燥24 h，最后在高溫爐中經(jīng)1 650℃保溫3 h，冷卻至室溫待用。

1.2 性能檢測(cè)

1 650℃燒后試樣的線變化率、體積密度和顯氣孔率、常溫抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度分別按照GB／T 5988—2007、GB／T 2997—2015、GB／T 3001—2017和GB／T 5072—2008進(jìn)行；經(jīng)1 400℃保溫0.5 h后試樣的高溫抗折強(qiáng)度根據(jù)GB／T 3002—2017測(cè)定；按GB／T 30873—2014測(cè)試試樣在1 100℃風(fēng)冷循環(huán)3次的殘余強(qiáng)度，并計(jì)算強(qiáng)度保持率來判斷抗熱震性；試樣的透氣度根據(jù)GB／T 3000—2016測(cè)定。用XRD分析1 650℃燒后試樣的物相組成，用SEM 觀察1 650℃燒后試樣的顯微結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 常溫物理性能

圖1示出了MgCO3加入量與1 650℃燒后試樣線變化率、體積密度、顯氣孔率、常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度的關(guān)系。

圖1 1 650℃燒后不同MgCO3含量試樣的常規(guī)物理性能Fig.1 Physical properties of specimens with different MgCO3additions after firing at 1 650℃

由圖1可知：無MgCO3試樣的線變化率為0.25%，隨MgCO3含量的增加，試樣線變化率逐漸減小。當(dāng)MgCO3為3%（w）時(shí)，試樣膨脹最小，為0.02%。隨MgCO3加入量的增加，試樣體積密度逐漸降低，當(dāng)其含量為3%（w）時(shí)，試樣體積密度達(dá)到最小值，為2.83 g·cm－3；而顯氣孔率變化趨勢(shì)與體積密度相反，MgCO3為3%（w）時(shí)顯氣孔率最高，為27.40%。這是因?yàn)镸gCO3在高溫條件下分解，產(chǎn)生MgO和CO2，氣體在排出過程中會(huì)形成氣孔，因此，試樣的顯氣孔率升高，體積密度降低。當(dāng)MgCO3加入量為1%（w）時(shí)，試樣常溫耐壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度達(dá)到最大，分別為57.7和10.4 MPa；繼續(xù)增加其含量時(shí)，試樣常溫耐壓和抗折強(qiáng)度略有降低。

2.2 高溫強(qiáng)度

圖2示出了經(jīng)過1 650℃燒后試樣在1 400℃保溫0.5 h的高溫抗折強(qiáng)度。由圖2可知：當(dāng)MgCO3加入量為1%（w）時(shí)，試樣的高溫抗折強(qiáng)度達(dá)到最大，為6.2 MPa；之后隨加入量增加高溫抗折強(qiáng)度略有降低，其變化趨勢(shì)與常溫強(qiáng)度變化趨勢(shì)相同。

圖2 不同MgCO3含量試樣的高溫抗折強(qiáng)度Fig.2 Hot modulus of rupture of specimens with different MgCO3additions

2.3 抗熱震性

圖3示出了1 100℃風(fēng)冷3次后試樣的殘余抗折強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度保持率。

圖3 不同MgCO3含量試樣的抗熱震性Fig.3 Thermal shock resistance of specimens with different MgCO3additions

由圖3可以看出，隨MgCO3加入量的增加，試樣的殘余抗折強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度保持率逐漸降低。當(dāng)MgCO3加入量為3%（w）時(shí)，試樣的殘余抗折強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度保持率最小，分別為3.35 MPa和39.50%。主要原因?yàn)椴牧蟽?nèi)部孔隙率增加以及顆粒之間結(jié)合程度的降低；此外，隨MgO含量的增加，高溫?zé)笤嚇又械腿埸c(diǎn)相的含量增加。這些綜合作用導(dǎo)致試樣抵抗熱應(yīng)力能力降低，表現(xiàn)為試樣抗熱震性降低。

2.4 透氣度

圖4示出了不同MgCO3含量試樣經(jīng)1 650℃保溫3 h后的透氣度。可以看出：當(dāng)MgCO3較少時(shí)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、1%、2%），透氣度變化不明顯；當(dāng)MgCO3為3%（w）時(shí)，試樣透氣度達(dá)到最大，為1.26μm2。MgCO3加入量較多時(shí)，分解時(shí)產(chǎn)生的氣體也越多，提高了試樣內(nèi)部氣孔之間的連通，對(duì)試樣透氣性能的提高有利。

圖4 1 650℃燒后不同MgCO3含量試樣的透氣度Fig.4 Permeability of specimens with different MgCO3additions fired at 1 650℃

2.5 物相組成及顯微結(jié)構(gòu)

不同MgCO3加入量（加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、1%和3%）試樣經(jīng)1 650℃燒后的XRD分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同MgCO3加入量試樣經(jīng)1 650℃燒后的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of specimens with different MgCO3additions fired at 1 650℃

由圖5可看出，不加和加1%（w）MgCO3試樣的物相主要為剛玉和鋁鉻固溶體，加1%（w）MgCO3試樣中尖晶石衍射峰很弱，表明其生成量很少；MgCO3加入量為3%（w）的試樣中有明顯鎂鋁尖晶石衍射峰。在高溫過程中，MgCO3分解產(chǎn)生的MgO與基質(zhì)中Al2O3反應(yīng)生成尖晶石相，一定程度上提高了試樣的強(qiáng)度。

圖6為試樣中MgCO3加入量（w）為0、3%時(shí)的SEM照片。與圖6（a）相比，圖6（c）中由于MgCO3分解過程中氣體的排出，導(dǎo)致基質(zhì)出現(xiàn)明顯的孔洞，使得試樣氣孔連通性增強(qiáng)，透氣度增加，同時(shí)對(duì)其強(qiáng)度產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。對(duì)比圖6（b）、圖6（d）兩圖可看出后者中顆粒與基質(zhì)間結(jié)合面積較小，基質(zhì)內(nèi)有較多小氣孔（孔徑在10～50μm），這也降低了基質(zhì)間的結(jié)合強(qiáng)度。

圖6 不同MgCO3加入量試樣的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM photos of specimens with different MgCO3additions

對(duì)圖6（b）、圖6（d）進(jìn)行EDS分析，結(jié)果見表1。結(jié)合表1分析可以看出，點(diǎn)1處元素組成為Al、Cr和O，推測(cè)其為氧化鋁和氧化鉻組成；點(diǎn)2處元素組成為Al、Si、Mg、Cr和O，推測(cè)其為鉻剛玉和低熔點(diǎn)相；點(diǎn)3處Si含量較低，表明其主要為鉻剛玉、尖晶石相和少量的低熔點(diǎn)相。

表1 圖6中各點(diǎn)的能譜分析結(jié)果Table 1 EDS results of the marked points in Fig.6

3 結(jié)論

（1）隨MgCO3加入量的增加，1 650℃燒后試樣體積密度減小，顯氣孔率升高，耐壓強(qiáng)度、常溫抗折強(qiáng)度和高溫抗折強(qiáng)度先升高后降低，透氣度變化不大，風(fēng)冷3次熱震后殘余抗折強(qiáng)度和強(qiáng)度保持率降低。

（2）在本研究中MgCO3加入量為1%（w）時(shí)試樣綜合性能最好，過量的MgCO3加入量會(huì)使試樣的各方面性能都降低。主要是MgCO3高溫下分解成MgO和CO2，MgO在燒結(jié)過程中與Al2O3原位反應(yīng)生成尖晶石，使試樣強(qiáng)度提高；但過多的MgCO3加入量在高溫下產(chǎn)生過多的CO2氣體排出卻增大了氣孔率，導(dǎo)致試樣的強(qiáng)度降低。