摘    要：为了得到适合现代炼钢产业发展需求的绿色高效的钢包用浇注料，以板状刚玉为骨料，刚玉细粉、氧化铝微粉为基质，纯铝酸钙水泥和二氧化硅微粉为结合剂，添加3种不同种类的镁砂(95中档烧结镁砂、97电熔镁砂、98电熔镁砂)或不同粒度(≤0.088、≤0.044 mm)的尖晶石细粉，分别经过110、1 200、1 600℃热处理，制备了钢包用铝镁尖晶石质浇注料。结果表明:加入95中档烧结镁砂的试样，经高温热处理后，镁砂容易水化，进而降低了试样的常温强度与抗渣性;加入98电熔镁砂的试样，经高温热处理后，大量原位尖晶石生成引起的体积效应，使试样结构疏松，常温强度降低，抗渣性下降;加入97电熔镁砂试样的抗渣性最好，而适量原位尖晶石的生成也使试样的常温强度变高。当浇注料中引入不同粒度的尖晶石时发现，≤0.088 mm尖晶石加入量为10%(w)，≤0.044 mm尖晶石加入量也为10%(w)时，试样的显气孔率最小，体积密度最大，线变化率最低，常温强度与抗渣性也最好。根据氧化铝来源，铝镁尖晶石质钢包浇注料可分为高纯刚玉基[1]和天然矾土基。前者起源于日本，后者立足我国矾土资源、适用于中小型钢包内衬的浇注料。根据铝镁尖晶石引入方式，铝镁尖晶石质钢包浇注料可分为“原位生成”和“预合成”两种。“原位生成”是通过加入镁砂细粉[2,3]，在热处理过程中与氧化铝反应生成原位尖晶石。其优点是活性较高，分布均匀，能较多吸收熔渣中Fe O、Mn O等组分，使熔渣黏度提高，增强了浇注料抗熔渣渗透性;但浇注料中氧化镁水化引起浇注料的开裂是其面临的问题。“预合成”是直接加入预合成的尖晶石[4,5]，其优点是浇注料体积稳定性好;缺点是基质中尖晶石活性低，分布不均匀，抗渣性较差[6]。对于原位尖晶石浇注料，氧化镁的选择是铝镁浇注料设计的关键因素之一。氧化镁的颗粒尺寸、纯度以及活性对其水化和尖晶石的形成以及浇注料力学性能和抗渣性有重要影响[[7,8,9]。如镁砂中二氧化硅杂质的增加，会使氧化镁颗粒初始熔融温度由1 850℃降低到1 500℃，进而恶化了浇注料的高温力学性能与抗渣性[10,11];镁砂中Ca O、Si O2质量比越高，镁砂水化生成的Mg(OH)2含量越高，致使烧结过程中氧化镁活性提高，尖晶石生成驱动力增大[12]。另外，尽管我国菱镁矿储量丰富，但是高纯菱镁矿却日益紧缺[13]。目前，钢包浇注料中对电熔镁砂作为镁源的关注较多，中档烧结镁砂作为镁源的研究鲜有报道[14]。在本工作中，探索了95中档镁砂在钢包浇注料中应用的可行性，分析了镁砂种类与不同粒度尖晶石的浇注料在110、1 200、1 600℃处理后的显气孔率、体积密度、线变化率、常温强度以及抗渣性能，采用X射线衍射仪(XRD)对烧后浇注料试样进行物相组成分析。

1 试验

1.1 原料

主要原料包括粒度为6～3、3～1、1～0.5、≤0.2 mm的板状刚玉颗粒和≤0.088 mm的细粉，粒度均为≤0.074 mm的95中档烧结镁砂、97电熔镁砂、98电熔镁砂和粒度分别为≤0.088、≤0.044 mm的烧结尖晶石;添加剂是粒度为2.5 nm的氧化铝微粉(b4)和4.5 nm的氧化铝微粉(pbr)以及≤0.074 mm的二氧化硅粉。原料的化学组成如表1所示。

表1 原料的化学组成  

1.2 组成设计

试验分为两部分。第一部分为加入不同种类和不同量镁砂的试验。试样骨料与基质的质量比为70∶30，具体配料如表2所示。

第二部分为加入不同粒度尖晶石的试验。试样骨料与基质的质量比仍为70∶30，具体配料如表3所示。

表2 不同种类镁砂加入量的浇注料试样配方  

表3 不同粒度尖晶石加入量的浇注料试样配方  

1.3 试验过程和性能检测

根据配方配料，先将细粉混合10 min后加入骨料，干混2 min，加水继续搅拌3 min。每组物料分别装入40 mm×40 mm×160 mm三联模和外部为80mm×55 mm、内部为30 mm×30 mm的坩埚中振动成型，先在室温下静置24 h后脱模，然后放入110℃保温箱中烘24 h。取出坩埚试样直接做抗渣性试验;而三联模试样分别经1 200℃保温3 h和1 600℃保温3 h热处理，待试样冷却至常温后，根据GB/T2997—2000检测试样的显气孔率和体积密度;根据GB/T 5988—2007检测试样的线变化率;根据GB/T3001—2007检测试样的抗折强度;根据GB/T 5073—2005检测试样的耐压强度。

利用静态坩埚法检测试样的抗渣性能，具体是在坩埚中加入20 g的钢渣(化学组成(w):Ca O 42.53%,Fe2O321.78%,Si O215.22%,Al2O32.6%)，经过1 600℃保温3 h热处理，冷却后，沿中轴切开，测量坩埚试样的侵蚀(渗透)深度，比较各个试样的抗渣性能[15]。

2 结果与讨论

2.1 镁砂种类和加入量对钢包浇注料性能的影响

2.1.1 显气孔率、体积密度及线变化率

图1示出了不同温度处理后不同镁砂加入量和镁砂种类的浇注料试样的显气孔率、体积密度及线变化率。可以看出:掺95中档镁砂的a系列试样，经1 200℃热处理后，其显气孔率随着镁砂加入量的增加变化规律不明显;1 600℃热处理后，其显气孔率随着镁砂加入量的增加而增大。3种掺不同镁砂的浇注料试样经1 200、1 600℃分别热处理后，线变化率均随着镁砂加入量的增多而增大，体积密度均随着镁砂加入量的增多而减小。

依据Wagner氧化镁和氧化铝反应动力学理论[16],Mg2+的扩散速度高于Al3+的，尖晶石的原位生成表现为Mg O向Al2O3扩散，氧化镁颗粒留下空洞，使浇注料的显气孔率增加[17]。另外，在浇注料养护过程中，氧化镁与水反应生成Mg(OH)2，其在高温下分解产生气孔[12]。试样的热处理温度从1 200℃升至1 600℃时，显气孔率增大，体积密度减小，线变化率增大。当镁砂掺量均为6%(w)时，掺98电熔镁砂的试样经1 600℃烧后镁铝尖晶石生成量最多，因此，其显气孔率最高，体积密度最小，线变化率最大。尽管95中档镁砂由于纯度较低，生成尖晶石量最少，但是其为烧结镁砂，晶粒较小，更易水化，致使浇注料显气孔率增大。因此，掺95中档镁砂浇注料的显气孔率和线变化率也较大，体积密度也较小，且均在掺97电熔镁砂试样与掺98电熔镁砂试样之间。

图1 不同温度处理后不同镁砂加入量和镁砂种类的浇注料试样的显气孔率、体积密度及线变化率

2.1.2 常温抗折强度与耐压强度

图2示出了不同温度处理后不同镁砂加入量和镁砂种类浇注料试样的常温抗折强度与耐压强度。

图2 不同温度处理后不同镁砂加入量和镁砂种类浇注料试样的常温抗折强度与耐压强度  

图2 不同温度处理后不同镁砂加入量和镁砂种类浇注料试样的常温抗折强度与耐压强度 

从图2可以看出:1 200℃热处理后，浇注料试样的常温抗折强度与耐压强度随着镁砂加入量的增多而增大;1 600℃热处理后，浇注料试样的常温抗折强度与耐压强度则随着镁砂加入量的增多而减小。热处理温度升至1 600℃时，3种不同镁砂试样的常温抗折强度均升高;掺95中档镁砂试样与掺98电熔镁砂试样的常温耐压强度降低，掺97电熔镁砂试样的常温耐压强度升高。掺98电熔镁砂试样经1 600℃烧后镁铝尖晶石生成量最多，试样的常温抗折强度与耐压强度也最低;95中档镁砂由于纯度较低，生成尖晶石量最少，但原料中较高的Ca O、Si O2质量比，也会使镁砂更易水化，进而降低了试样的强度[12]。

2.1.3 抗渣性

图3示出了坩埚试样经1 600℃保温3 h抗渣试验后的纵剖面照片，试样a1至试样c3的侵蚀深度分别为9、7、8,7、5、6,6、5、6 mm。造成掺95中档镁砂浇注料试样(a1—a3)抗渣性差的原因是显气孔率较高，使熔渣更易渗透;较多的杂质使镁砂间玻璃相增大，不利于抗渣渗透。两种掺电熔镁砂的浇注料试样的抗渣性优于掺95中档镁砂的，这与加入的镁砂原料中杂质含量较低有关[12]。

图3 坩埚试样经1 600℃保温3 h抗渣试验后的纵剖面照片

2.2 尖晶石粒度对钢包浇注料性能的影响

2.2.1 显气孔率、体积密度及线变化率

图4示出了不同尖晶石粒度试样的显气孔率、体积密度及线变化率。可以看出，1 200℃时浇注料试样的显气孔率和线变化率随着≤0.088 mm尖晶石加入量的减少先减小后增大，体积密度则随着≤0.088mm尖晶石加入量的减少先增大后减小。随着处理温度由1 200℃升至1 600℃时，试样的显气孔率增大，体积密度减小，试样的线变化率增大。当加入≤0.088 mm烧结尖晶石为10%(w)，≤0.044 mm烧结尖晶石也为10%(w)时，试样d3的显气孔率最小，体积密度最大，线变化率也最小。

2.2.2 常温抗折强度与耐压强度

图5示出了不同尖晶石粒度浇注料试样的常温抗折强度、耐压强度。由图5可知，随着热处理温度由1 200℃增加至1 600℃时，浇注料试样的常温抗折强度与耐压强度也随之增大。当≤0.088 mm尖晶石加入量(w)由0升至20%，≤0.044 mm尖晶石加入量(w)由20%降至0时，即随着加入尖晶石粒度的增大，试样的常温抗折强度与耐压强度先增大后减小;当≤0.088与≤0.044 mm尖晶石加入量(w)均为10%时，试样d3的常温抗折强度与耐压强度最大。

图4 不同尖晶石粒度试样的显气孔率、体积密度及线变化率与处理温度的关系 

图4 不同尖晶石粒度试样的显气孔率、体积密度及线变化率与处理温度的关系 

图5 不同尖晶石粒度浇注料试样的常温抗折强度、耐压强度与处理温度的关系

2.2.3 抗渣性

不同尖晶石粒度的坩埚试样经1 600℃抗渣试验后的剖面照片见图6，试样d1至试样d6的侵蚀深度分别为10、9、8、9、10、11 mm，试样d3的抗渣性最好。 

图6 不同尖晶石粒度坩埚试样经1 600℃保温3 h抗渣试验后的纵剖面照片  

2.3 物相组成

对比试样的常温性能与抗渣性能，对各组试样中表现优异的试样a2、b2、c2、d3进行物相组成分析。图7为各试样分别在1 200、1 600℃煅烧后的XRD图谱。可以看出，1 200℃热处理后试样a2、b2、c2都有原位尖晶石生成，试样b2中刚玉相峰值最低，尖晶石相峰值最高。经1 600℃热处理后试样的主要物相为刚玉、MA和CA6相，其中，CA6相的来源主要为高温下水泥与氧化铝反应;试样c2与a2和b2相比，尖晶石相的峰值最高，原因不仅是98电熔镁砂纯度最高，而且还与其最高的Ca O、Si O2质量比有关[12]。

图7 不同浇注料试样经不同温度煅烧后的XRD图谱   

图7 不同浇注料试样经不同温度煅烧后的XRD图谱  

3 结论

(1)掺3种不同镁砂浇注料试样经1 200℃热处理后，随着镁砂加入量的增加，其显气孔率的变化规律不明显，体积密度减小，线变化率升高，常温抗折强度与耐压强度增大;1 600℃热处理后，各试样物理性能变化规律与1 200℃相同，常温抗折强度和耐压强度减小;随着镁砂加入量(w)由5%至7%时，各试样渣侵深度先减小后增大，当镁砂加入量为6%(w)时，抗渣性最好。

(2) 1 200℃热处理后，随着≤0.088 mm尖晶石加入量的减少，浇注料试样的显气孔率和线变化率先减小后增大，体积密度、常温抗折强度与耐压强度均先增大后减小;当热处理温度升至1 600℃时，试样的显气孔率增大，体积密度减小，线变化率增大，常温抗折强度与耐压强度增大;随着≤0.088 mm尖晶石加入量的减少，试样的侵蚀深度先减小后增大;当加入≤0.088 mm尖晶石与≤0.044 mm尖晶石均为10%(w)时，试样的物理性能最优，常温抗折强度与耐压强度也最大，抗渣性最好。

(3) 1 200℃热处理后，试样a2、b2、c2都有原位尖晶石生成，试样b2中刚玉相峰值最低，尖晶石相峰值最高。经1 600℃热处理后，试样的主要物相为刚玉、MA和CA6相，试样c2尖晶石相的峰值最高。