摘    要：以电熔棕刚玉颗粒(粒度为53 mm、31 mm,≤1 mm)、电熔白刚玉细粉(≤0.088 mm)、SiC颗粒(≤1 mm)和细粉(≤0.088 mm)、电熔镁砂细粉(≤0.088 mm)、活性α-Al2O3微粉、SiO2微粉、Si粉和球状沥青为主要原料,以纯铝酸钙水泥为结合剂,配制成电熔镁砂细粉加入量(质量分数)分别为0、3%、6%、9%、12%的出铁沟用Al2O3-SiC-C浇注料,经振动成型、养护、脱模、110℃24 h烘干后,分别于1 100℃3 h、1 450℃3 h热处理,测定处理后试样的体积密度、显气孔率、烧后线变化率、抗折强度、抗高炉渣侵蚀性和抗氧化性,并分析其物相组成和显微结构。结果表明:随着电熔镁砂加入量的增加,试样的显气孔率提高,体积密度、抗折强度和抗氧化性降低,抗渣性变化不大;1 450℃3 h处理后试样物相主要由3C-SiC、6H-SiC、刚玉、方镁石以及反应生成的尖晶石和莫来石组成,且随着电熔镁砂加入量的增加,尖晶石和莫来石的生成量也增加;在侵蚀面附近,刚玉颗粒边缘生成了厚度约80μm的尖晶石层。

Al2O3-SiC-C质浇注料是目前高炉出铁沟广泛使用的材料。出铁沟的损坏主要有热冲击引起的龟裂、剥落及渣铁侵蚀造成的损毁。提高出铁沟浇注料的性能,以适应日益恶劣的使用环境,提高出铁沟的使用寿命,是目前的主要研究内容之一[1,2,3,4,5]。近年来,在铁沟料中引入尖晶石成为研究热点之一[6,7,8]。浜崎佳久等[7]认为,引入尖晶石可以提高浇注料的抗侵蚀性能,但加速了SiC 的氧化;T Yoshimoto等[9,10]研究电熔镁砂(≤1 mm)对铁沟料性能的影响后认为,镁砂可以提高浇注料的抗热震性,原因在于在热面附近形成了少量低熔点物相,降低了浇注料的弹性模量。由于镁砂细粉中的MgO可以和Al2O3反应生成尖晶石,与直接加入尖晶石的效果可能有所不同。为此,本工作研究了镁砂细粉加入量对Al2O3-SiC-C质铁沟料性能的影响。

1试验

1.1 原料

试验用主要原料为电熔棕刚玉骨料(5～3 mm、3～1 mm,≤1 mm)、SiC颗粒(≤1 mm)和细粉(≤0.088 mm)、电熔白刚玉细粉(≤0.088 mm,w(Al2O3)>98.97%)、活性α-Al2O3微粉(d50=4 μm)、球状沥青、Elkem971 SiO2微粉(d50=0.5 μm,w(SiO2)>97.1%)、Si粉(≤0.088 mm,w(Si)>98%)、CA80纯铝酸钙水泥和镁砂细粉(≤0.088 mm)等。主要原料的化学组成见表1。

表1 主要原料的化学组成(w) 

1.2 试样制备及性能检测

按表2配料,骨料和细粉的质量比为70∶30,外加约6%的水,混练均匀后,在振动台上振动成型为40 mm×40 mm×160 mm的样块和外部尺寸为70 mm×70 mm×70 mm,内孔尺寸为ϕ30/20 mm×40 mm的坩埚,在室温下养护24 h后脱模,经110 ℃ 24 h烘干,分别在1 100 ℃和1 450 ℃氧化气氛下处理3 h。

按相关标准检测110 ℃烘干以及1 100 ℃和1 450 ℃热处理后试样的体积密度、显气孔率和抗折强度以及1 450 ℃烧后线变化率。

以静态坩埚法评价材料抗高炉渣侵蚀的能力。在110 ℃ 24 h处理后坩埚中加入约20 g高炉渣(CaO 41.6%, SiO2 39.62%, MgO 6.00%, Na2O 0.42%, K2O 1.57%, Al2O3 7.93%),在空气气氛的硅钼棒炉中于1 450 ℃侵蚀3 h,冷却后沿其内孔轴线将坩埚切开,测量侵蚀面积,计算其侵蚀指数(侵蚀面积÷原始面积×100%)。

用110 ℃ 24 h处理后试样进行抗氧化试验,试验条件为1 100 ℃ 3 h。测量氧化后试样剖面的氧化面积,计算其氧化指数(已氧化面积÷原始面积×100%)。

分别采用Phillips x’pert SW衍射仪、Jeol 8700电子探针和Oxford ISIS能谱仪分析部分试样的物相组成、显微结构和微区成分。

表2 试样的配料组成(w) 

1)包括电熔棕刚玉骨料和电熔白刚玉细粉。

2 结果与讨论

2.1 试样的常规物理性能

不同温度处理后试样的体积密度、显气孔率、烧后线变化率和抗折强度见表3。可以看出:引入电熔镁砂细粉后,不同温度处理后试样的显气孔率都有较大幅度的增大,而体积密度相应减小;不同温度处理后试样的抗折强度均随着镁砂含量的增加而下降;1 450 ℃ 3 h烧后试样均有较大膨胀,这是因为,在高温下,刚玉细粉与SiO2(包括加入的SiO2微粉和SiC氧化后生成的SiO2)发生的莫来石化反应,镁砂细粉与刚玉细粉及活性氧化铝微粉发生的尖晶石化反应都有较大的体积膨胀。

表3 不同温度处理后试样的常规物理性能 

2.2 试样的相组成

不同温度处理后部分试样的XRD图谱见图1。可以看出:1 100 ℃处理后试样主要由SiC(3C和6H)、刚玉、方镁石、未反应的硅和少量尖晶石组成;1 450 ℃处理后试样主要由SiC(3C和6H)、刚玉、方镁石、尖晶石和少量莫来石组成,加入的硅已经完全反应,并且3#试样中尖晶石量比1#试样的多。

图1 不同温度处理后1#和3#试样的XRD图谱

2.3 试样的抗渣性能和抗氧化性能

抗渣试验后3#和4#试样的剖面见图2。可以看出,试样侵蚀轻微,渣-样界面比较清晰。 

图2 抗渣试验后3#和4#试样的剖面  

试样的侵蚀指数和氧化指数见表4。从表4可知:随着镁砂细粉加入量的增加,试样的侵蚀指数变化不大,而其氧化指数则逐渐增大,抗氧化能力降低。抗氧化能力降低的原因可能是:尖晶石化和莫来石化反应产生体积膨胀,使试样的显气孔率增加,氧气更容易进入试样内部;同时,生成的尖晶石促进了SiC的氧化[8]。

表4 试样的抗渣性和抗氧化性试验结果 

2.4 侵蚀后试样的显微结构

抗渣试验后3#试样反应层的显微结构及其面扫描见图3。可以看出:熔渣沿着基质向浇注料内部渗透,从热面向内,Ca元素的量逐渐降低,而铁渗透较深;在刚玉颗粒边缘处有明显的带状尖晶石生成。

图3 3#试样侵蚀后反应层的显微结构   

反应层中刚玉颗粒边界处的显微结构及其面扫描见图4。熔渣已侵入刚玉颗粒的裂纹中,能谱分析表明,裂纹中侵蚀物的化学组成与钙长石(CaO·Al2O3·2SiO2)非常接近;在刚玉颗粒边界处生成了大约80 μm厚的带状尖晶石层,这对阻碍熔渣向试样内部的渗透可能会起到有益的作用[6]。

图刚玉颗粒边界处形成的带状尖晶石层   

图刚玉颗粒边界处形成的带状尖晶石层   

4 结论

(1)随着电熔镁砂粉加入量的增加,浇注料的显气孔率上升,体积密度下降,抗折强度下降,氧化指数增大,但浇注料的抗侵蚀性能变化不大。

(2)1 450 ℃处理后,浇注料主要由3C-SiC和6H-SiC、刚玉、方镁石、尖晶石和莫来石组成,并且镁砂细粉加入量越大,尖晶石生成量也越大。

(3)添加镁砂的试样渣蚀后,在刚玉颗粒边缘生成了尖晶石层,对抑制渣的渗透有利。