鈦鋁酸鈣顆粒加入對剛玉澆注料性能的影響

梁小龍，王子軍，王義龍，陳永強2,，于凌月1,，張連進1,

(1.河北國亮新材料股份有限公司，河北 唐山 063021； 2.河北省鋼鐵冶煉用耐火材料技術創新中心，河北 唐山 063021； 3.唐山貝斯特高溫材料有限公司，河北 唐山 063021)

“鈦鋁酸鈣”是鈦鐵合金的冶煉過程中產生的副產品，俗稱鈦鋁酸鈣,研究發現鈦鋁酸鈣的是一種以鈦鋁酸鈣、六鋁酸鈣為主，二鋁酸鈣及鈦酸鈣為副的高熔點復相材料[1]，多年來被作為固體廢棄材料沒有得到合理利用，占用大量的土地資源，而且還會對環境造成一定的破壞。鈦鋁酸鈣的耐火度可達1 790 ℃以上，在高溫工業應該有很好的利用價值[2]。本試驗中，擬在剛玉澆注料中加入鈦鋁酸鈣顆粒等量替代其中的板狀剛玉，研究鈦鋁酸鈣顆粒加入對剛玉澆注料性能影響，推動其在耐火材料領域的應用。

1 試 驗

1.1 原 料

試驗所用原料有：板狀剛玉(8～5 mm、5～3 mm、3～1 mm、≤1 mm、≤0.045 mm)、鈦鋁酸鈣(5～5mm)、剛玉粉200目、u-Al2O3微粉、外加劑等。實驗用板狀剛玉顆粒及鈦鋁酸鈣顆粒的主要化學組成見表1。

表1 主要原料的化學組成

如圖1所示，原料鈦鋁酸鈣主要物相為Ca((Al0.84Ti0.16)2)6O19和CaAl12O19(CA6)，次晶相為CaAl4O7(CA2)、α-Al2O3，還有少量的CaTiO3和金紅石相[1-2]。

圖1 原料鈦鋁酸鈣顆粒的XRD圖譜

1.2 實驗過程

按照配料表(見表2)進行配料，原料干混均勻后，加入到砂漿攪拌機中，在砂漿攪拌機中繼續干混1 min后，加入適量的清水攪拌5 min至澆注料狀態良好。將攪拌好的料漿澆注到尺寸為40 mm×40 mm×160 mm×3的標準試樣模具中，固定到震動臺震動成型。同時澆注外徑尺寸70 mm×70 mm×70 mm、內孔尺寸為Φ30 mm×35 mm的干鍋試樣，用來檢測材料的抗渣性能。試樣放置于實驗室內，常溫條件下自然養護24 h之后脫模。之后將樣條及抗渣樣塊置于110 ℃干燥箱干燥24 h。經干燥處理的樣條再分別進行110 ℃×24 h、1 200 ℃×3 h、1 550 ℃×3 h熱處理，以及1 450 ℃×0.5h熱態抗折強度檢測，1 550 ℃×3 h靜態抗渣試驗檢測。

1.3 性能檢測

檢測干燥后和燒成后樣條的抗折、耐壓強度；檢測試樣在1 200 ℃和1 550 ℃保溫3 h熱處理后的線變化率；測量干燥后和燒成后樣條的顯氣孔率、體積密度。

試驗檢測過程中的參考標準：

(1)YB/T 5203—93 致密耐火澆注料線變化率試驗方法;

(2)YB/T 5201—1993致密耐火澆注料 常溫抗折強度和耐壓強度試驗方法;

(3)YB/T 5200—1993 致密耐火澆注料 顯氣孔率和體積密度試驗方法。

表2 配料表 %

在經過干燥處理后的坩堝試樣內孔中加入45 g的鋼包渣，將坩堝試驗靜態放置高溫爐內，經過1 550 ℃保溫3 h處理，通過自然降溫至常溫后，沿坩堝最大徑切開，測量試樣的侵蝕面積和滲透面積(以梯形面積公式計算)，計算試樣的侵蝕指數和滲透指數(1#～4#試樣的侵蝕(滲透)面積/1#試樣的侵蝕(滲透)面積×100%)[2]。試驗用鋼包渣的化學成分見表3。

表3 鋼包渣化學組成 %

2 結果與討論

2.1 體積密度和氣孔率

經過對試樣的體積密度及氣孔率檢測，制作圖表，如圖2、圖3所示。試驗表明，經過110 ℃保溫24 h處理后的試樣，體積密度及氣孔率變化均變化不明顯。

圖2 試樣體積密度圖

試樣分別經過1 200 ℃保溫3 h以及1 550 ℃保溫3 h熱處理后，其結晶水、結構水先后排除，呈現氣孔率升高，體積密度減小的趨勢。同時隨著鈦鋁酸鈣顆粒的加入量增大，中高溫處理后的試樣氣孔率略有降低，這是因為鈦鋁酸鈣顆粒的加入在中溫時產生的液相增多，促進了試樣的燒結。

圖3 試樣氣孔率圖

2.2 重燒線變化率

鈦鋁酸鈣顆粒加入量對試樣重燒線變化率的影響如圖4所示，試樣處理溫度升高，其重燒線變化率相應增大，同時鈦鋁酸鈣顆粒的加入量增加之后，試樣的重燒線變化率相應增大。這是因為隨著溫度升高，鈦鋁酸鈣顆粒邊緣的CA2相與試樣的剛玉相反應生成CA6，伴隨著體積膨脹，同時導致了線變化率增大。

圖4 試樣重燒線變化率圖表

2.3 常溫強度

根據試驗檢測的抗折、耐壓強度數據制成試樣常溫抗折強度及常溫耐壓強度趨勢圖表，如圖5、圖6所示，試驗表明，隨著鈦鋁酸鈣顆粒加入量增多，鈦鋁酸鈣的顆粒邊緣與基質發生反應，產生液相燒結，各溫度處理后試樣的抗折強度和耐壓強度均呈現下降的趨勢。

圖5 試樣常溫抗折強度圖表

圖6 試樣常溫耐壓強度圖表

2.4 熱態抗折強度

表4為試樣熱態抗折強度的指標，從數據中可以看出，隨著鈦鋁酸鈣的加入量增加，試樣的熱態抗折強度下降明顯。主要是因為鈦鋁酸鈣的加入，促進了CA2相與剛玉相反應，試樣體積膨脹，甚至產生裂紋，導致強度降低。

表4 試樣熱態抗折強度指標 MPa

2.5 抗渣性能

經過1 550 ℃保溫3 h處理后的抗渣試樣，沿坩堝試樣最大徑切開的剖面圖如圖7所示；按照試驗截面梯形面積計算試樣的渣侵蝕指數及渣滲透指數，計算結果如表5所示，試驗結果表明，隨著鈦鋁酸鈣顆粒加入量增加，試樣抗渣侵蝕和抗渣滲透性能均變差。

圖7 鈦鋁酸鈣加入量對試樣抗渣性能的影響

表5 試樣的抗渣性能

3 結 論

(1)粒徑為8～5 mm鈦鋁酸鈣的加入后，剛玉澆注料重燒線變化增大、常溫強度降低、抗渣性能下降、1 450 ℃×0.5 h熱態抗折強度降低，靜態抗渣性能下降。

(2)鈦鋁酸鈣8～5 mm粒徑顆粒的少量加入(10%)，雖然其各方面性能指標下降，綜合考慮成本，具有可行性。