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矾土基电熔锆刚玉对钢包用Al2O3-MgO浇注料性能的影响
矾土基电熔锆刚玉对钢包用Al2O3-MgO浇注料性能的影响
高纯Al2O3-MgO浇注料和Al2O3-尖晶石浇注料在大中型钢包上已得到广泛的应用, 但Al2O3-MgO浇注料容易出现裂纹, 炉渣沿裂纹渗透到浇注料内部, 加快了侵蚀, 降低了包衬使用寿命。ZrO2与Al2O3所形成的复合氧化物锆刚玉具有抗侵蚀性好、抗热震性好及强度高等优点,但由于其成本高, 限制了推广应用。以天然原料高铝矾土和锆英砂为原料, 经电熔合成开发的成本较低、价格相对较便宜的矾土基电熔锆刚玉,其性能和矿相组成与用氧化铝和锆英砂合成的锆刚玉相近, 是一种很有发展前途的优质高效耐火原料。本工作利用新开发的矾土基电熔锆刚玉作细粉, 研究其对Al2O3-MgO钢包浇注料性能的影响。 试验用原料为山西产特级矾土颗粒 (8～5 mm) 、电熔亚白刚玉 (5～3和3～1 mm) 、电熔白刚玉 (≤1、<0.088和<0.044 mm) 、电熔铝镁尖晶石 (<0.044 mm) 、电熔镁砂 (<0.074 mm) 、α-Al2O3微粉 (≤5 μm) , SiO2微粉 (≤3 μm) 和矾土基电熔锆刚玉 (<0.088 mm, 主要物相为刚玉和单斜ZrO2) 。原料的化学组成见表1。
试样配比见表2。将细粉按表中比例配料后, 在振动磨中振动预混60 min, 然后再与骨料混合, 在搅拌锅中搅拌, 并加入适量的水和分散剂三聚磷酸钠充分搅拌均匀,分别浇注成160 mm×40 mm×40 mm的条形试样和外部尺寸为ϕ100 mm×100 mm、内孔尺寸为ϕ50 mm×60 mm的坩埚试样, 自然养护24 h后, 在110 ℃干燥24 h。干燥后的条形试样分别经1 100、1 550 ℃保温3 h热处理。经烘干和热处理后的试样, 按照YB/T 5200-93检测显气孔率和体积密度, 按照YB/T 5201-93检测常温抗折强度和耐压强度, 按照YB/T 5203-93检测线变化率。按GB/T 3002-2004检测烘干后试样在1 400 ℃ 0.5 h下的高温抗折强度;检测1 550 ℃ 3 h热处理后试样经1 100 ℃水冷1次后的残余抗折强度, 并计算其强度保持率, 以此来评价浇注料的抗热震性。
抗渣性试验采用静态坩埚法。在干燥后的坩埚试样中装入粒度<1 mm的钢包渣110 g, 经1 600 ℃ 3 h烧后自然冷却, 沿纵向对称切开, 比较渣蚀和渗透情况,以侵蚀 (渗透) 指数 (为侵蚀或渗透面积÷坩埚孔总面积×100%) 评价试样的抗渣性。试验用渣为某钢厂的LF炉精炼钢包渣, 其主要化学组成 (w)为:CaO 41.32%, SiO2 11.22%, Al2O3 19.14%, MgO 8.39%, FeO 5%, Fe2O3 2.23%, 碱度 3.68。 用SEM和EDS对渣蚀后的试样进行显微结构及微区元素分析。 表3为经110 ℃ 24 h、1 100 ℃ 3 h和1 550 ℃ 3 h热处理后试样的物理性能。从表3可以看出:
(1) 加入矾土基电熔锆刚玉细粉对试样干燥后及1 100 ℃ 3 h热处理后的物理性能以及1 550 ℃ 3 h热处理后的抗折强度影响不大。 (2) 与不加锆刚玉细粉的试样相比, 加入4%锆刚玉细粉的试样经1 550 ℃ 3 h热处理后, 其线变化率由微膨胀 (+0.12%) 转变为收缩 (-0.48%) ,继续增加锆刚玉细粉加入量, 对试样线变化率影响不大。
(3) 随着锆刚玉细粉加入量的增加, 1 550 ℃ 3 h热处理后试样的体积密度显著增大, 显气孔率呈下降的趋势。这主要归因于矾土基电熔锆刚玉中的杂质生成液相促进了烧结,使显气孔率降低, 试样收缩。 (4) 随着锆刚玉细粉加入量的增加, 试样在1 400 ℃ 0.5 h下的高温抗折强度略有降低, 但总体变化不大, 这可能与矾土基电熔锆刚玉中的杂质生成液相有关。 (5) 1 100 ℃水冷1次后, 不同锆刚玉含量的试样强度保持率差别不大。 图1和图2分别示出了渣侵蚀后坩埚试样的剖面照片和侵蚀指数。由图1可以看出:不加及加入少量 (4%) 矾土基电熔锆刚玉的试样 (ZA0和ZA1) , 渣蚀的轮廓线比较清晰, 渗透较少, 表现出了较好的抗渣性。随锆刚玉加入量的增加, 坩埚底部的侵蚀深度变大, 依次为4.8、4.6、6.2、6.0和7.8 mm,坩埚中的残渣量逐渐减少, 侵蚀指数逐渐增大 (见图2) , 试样的抗渣侵蚀性变差。
试样ZA0和ZA4渣侵蚀后的电镜照片和能谱分析如图3、4和表4、5所示。图3 (a) 和4 (a) 中白色部分B和D分别为试样ZA0和ZA4的侵蚀层, 灰色部分A和C为渗透层。由表4能谱分析可知, 图3 (b) 中1为刚玉颗粒;浅灰色部分2为渣中的CaO和刚玉颗粒反应生成的CA6, 其中溶有少量的复合尖晶石 (固溶Fe2O3或FeO的尖晶石) ;深灰色部分3为固溶Fe2O3或FeO的富铝尖晶石;灰白色部分4为侵入的熔渣形成的低熔相, 其成分接近C2AS。由表5能谱分析可知, 图4 (b) 中5为刚玉颗粒;6为刚玉或锆刚玉与渣中的CaO反应生成的CA6;深灰色部分7为固溶了渣中Fe2O3或FeO的富铝尖晶石;8为ZrO2晶粒;9为反应生成的低熔相, 其中有少量CaZrO3。
由以上结果推断, 不加锆刚玉的Al2O3-MgO浇注料 (ZA0) 的抗渣侵蚀机理可能为:在熔渣向其内部的渗透过程中, 熔渣中的CaO和基质中的Al2O3反应生成高熔点的CA6, 随着CA6的生成, 渣中CaO的含量不断降低, 渣的黏度增加, 渗透能力下降;另一方面, 浇注料中反应生成的富铝尖晶石可以固溶渣中的Fe2O3或FeO等成分,从而阻止渣的渗。而加入矾土基电熔锆刚玉的铝镁浇注料试样ZA4, 由于矾土基电熔锆刚玉引入的杂质和渣反应形成了低熔物, 因此抗渣侵蚀性较差。 (1) 矾土基电熔锆刚玉可以促进Al2O3-MgO浇注料的烧结, 从而改善浇注料的常温物理性能。
(2) 矾土基电熔锆刚玉的引入对Al2O3-MgO浇注料的抗热震性影响不大。 (3) 矾土基电熔锆刚玉的引入对Al2O3-MgO浇注料的高温抗折强度和抗渣侵蚀性略有负面影响, 这主要和矾土基电熔锆刚玉中的杂质在高温下生成液相有关。
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