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利用铝铬渣生产有色金属冶炼用铬锆刚玉砖
利用铝铬渣生产有色金属冶炼用铬锆刚玉砖
有色金属窑炉用耐火材料工作环境恶劣，例如冶炼铅、锌、锡的烟化炉和侧吹炉用耐火材料。这些窑炉要求耐火材料具有高的常温耐压强度、抗冲刷能力、抗还原能力和抗热震性能。这些都是原用镁铬质耐火材料不具备的。铝铬砖具有高温性能好，抗冲刷能力强，耐腐蚀等优点，主要用于有色冶金行业窑炉的渣线部位。而现有的普通铬渣耐火材料均存在抗还原反应和抗热震性较差的问题，无法满足这些窑炉的使用要求。 铝铬渣是冶炼金属铬时产生的一种副产品，其主要物相为α-Al2O3和Cr2O3的固熔体，化学组成中Al2O3和Cr2O3的合量一般≥90%(w)，是一种性能优秀的耐火原料。铝铬渣可制成铬渣砖，应用于有色窑炉工作衬。但是，铝铬渣中杂质Na2O、Fe2O3、Si O2和金属Cr含量较高并且不稳定，影响其使用效果。在本工作中，以铝铬渣、氧化铝、低铬矿为原料，采用电熔法进行了铝铬料再合成试验。然后，将电熔铝铬料与电熔锆莫来石配料制备了铬锆刚玉砖，重点研究了电熔锆莫来石添加量对铬锆刚玉砖抗热震性的影响。 以粒度≤1 mm的铝铬渣、氧化铝粉和低铬矿为原料。铝铬渣的主要物相是铬刚玉、β-Al2O3和金属Cr。铝铬渣的显微结构如图1所示，图中亮点为金属Cr，暗色的为β-Al2O3，灰色的为铬刚玉。铝铬渣和低铬矿的化学组成，根据使用的300 k VA脱壳电炉和6 300 k VA倾倒电炉的不同而略有不同，分别见下文的表1和表4。
以表1中的铝铬渣、氧化铝粉、低铬矿为原料，设计了见表2所示的3种试验配比。按表2的试验配比配料，混合均匀。取约1 000 kg混合料，投入到300k VA脱壳电炉中，于1 900～2 100℃熔炼。为了能在熔炼过程中使Na2O等杂质挥发掉，设计了不同的熔炼时间和精炼时间，具体见表2。共试验了3炉，采用随炉自然冷却的方式冷却。观察熔块外观发现:其上部和下部致密，渣芯呈蜂窝状。电熔合成料颗粒的理化性能检测结果如表3所示。从表3可知，各试样均含有少量的金属Cr。综合考虑制造成本和产物性能，确定大批量试验时的原料配比为3#，熔炼时间为8 h，精炼时间≥40 min。
由于小型试验电炉的冶炼温度受限，且炉体小，保温时间短，导致电熔料中间部位蜂窝状渣心料较多。因此，又在6 300 k VA倾倒电炉中于2 100～2 200℃进行了大批量原料的电熔合成试验。以表4中的铝铬渣、氧化铝粉、低铬矿为原料，三者按质量比为12∶3∶5配料，共用料18 t。熔炼时间为8 h，精炼时间≥40 min。将电熔后的物料倾倒于接包中，自然冷却72 h后脱包。砸选时发现:上部、下部及电极周围的料比较致密、坚硬，而且电熔均匀;中间部位的料气孔大，但质地坚硬;底部有少量的含碳铬铁沉积。
对电熔铝铬料进行了化学分析，结果见表4。根据原料的化学组成和试验配比计算可知:熔炼前的配料中Na2O含量约为1.45%(w)，而电熔合成铝铬料中的Na2O含量降至0.28%(w)，表明在熔炼过程中约有80%的Na2O挥发掉了;Fe2O3含量从配料时的6.3%(w)降低至熔炼后的0.27%(w);金属Cr含量从配料时的2.48%%(w)降低至熔炼后的0.64%(w)。除部分颗粒较小的金属Cr氧化成Cr2O3外，其余都与Fe2O3形成铬铁沉降在接包底部。金属Cr的含量降低，能有效避免合成料在使用时因金属Cr氧化而带来的膨胀和结构疏松问题。可见，电熔合成能有效去除铝铬渣原料中的杂质Na2O、Fe2O3、Cr，获得Na2O、Fe2O3含量较低的铝铬合成料，进而提高用其制备的耐火材料的高温使用性能。 试验原料有上述倾倒炉试验合成的电熔铝铬料颗粒(粒度为5～3、3～1、≤1 mm)和细粉(≤0.088mm)，电熔锆莫来石颗粒(粒度3～1 mm)，活性α-Al2O3微粉和磷酸。按表5的试验配比配料，混匀后放置48 h以上。用630 t电动螺旋压砖机成型为230 mm×114 mm×65 mm砖坯，于80～100℃烘干24 h，在45 m3梭式窑中于1 550℃保温22 h烧成。
按常规标准检测试样的体积密度、显气孔率、常温耐压强度和荷重软化开始温度(0.2 MPa载荷)。采用风冷法进行抗热震性测试，试样尺寸为114 mm×40 mm×40 mm，热震温度为950℃(保温30 min)。除荷重软化温度外，每个项目均平行检测两次，结果见表6。从表6可以看出，各试样在体积密度、显气孔率、常温耐压强度和荷重软化开始温度方面差别很小，但抗热震性差别较大:电熔锆莫来石加入量为10%(w)的试样CZA-1的热震次数为56和51次，电熔锆莫来石加入量为5%(w)的试样CZA-2的热震次数为13和17次，不加电熔锆莫来石的试样CZA-3的热震次数只有4和5次。可见，电熔锆莫来石加入量为10%(w)时，其风冷抗热震性明显优于电熔锆莫来石加入量为5%(w)和不加的。
(1)以铝铬渣、氧化铝粉、低铬矿为原料，按12∶3∶5的质量比配料，在倾倒炉中于2 000～2 200℃熔炼8 h，所得电熔铝铬料结构致密，杂质Na2O、Fe2O3、Si O2和金属Cr含量显著降低。
(2)采用电熔铝铬料颗粒料和细粉为主要原料，加入10%的电熔锆莫来石颗粒料(3～1 mm)，制备的铬锆刚玉砖的抗热震性(950℃，风冷)达到56次，抗热震性能良好。
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