摘    要：本文以特级铝矾土、红柱石颗粒、红柱石细粉、活性α-Al2O3微粉、硅微粉为原料,纯铝酸钙水泥为结合剂,三聚磷酸钠为减水剂,研究加入不同量红柱石颗粒及细粉对矾土质浇注料高温性能的影响。结果表明:红柱石反应生成莫来石和二氧化硅玻璃相可以显著提高矾土质浇注料的高温抗折强度和热震稳定性。综合考虑,红柱石的添加量以30%为宜,用于化铜炉内衬材料提高炉子的使用寿命。

1引言

随着我国冶金行业的不断发展,对耐火材料的要求也是越来越严格,传统意义上的耐火材料已经不能很好的满足冶金方面的需求,抗侵蚀性好、抗冲刷能力强、抗热震稳定性优良的耐火材料迫切需要。红柱石在高温下容易发生莫来石化反应[1,2,3],可以有效的改善耐火材料高温方面的性能,并且红柱石产品不用预先烧结,能够很好的在钢铁、水泥、有色冶炼[4,5]等行业应用。我国红柱石资源丰富[6,7],因此对红柱石的研究非常有必要。本试验主要研究红柱石加入方式和加入量对矾土质浇注料高温性能的影响。

2试验

本次试验的原料主要有特级铝矾土颗粒、细粉,红柱石颗粒、细粉等等,其主要成分见表1。试验采用等量替代法,添加红柱石时以细粉为主。按照试验方案制做标准试样后煅烧,测其性能指标。选取试样按照GB / T3002-2004做高温抗折试验; 按照YB / T2206. 2-1998做热震稳定性试验,测定其3次热震后的残余强度; 利用XRD判断红柱石的莫来石化反应程度。  

表1 原材料的化学组成

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3结果与讨论

3.1红柱石对矾土质浇注料烧结性能的影响

图1 ~ 5是试样的常温性能指标图,从图上可以反映出红柱石添加量增加后其常温性能下降,但抑制了试样的高温收缩。这是因为矾土质浇注料在高温下表现为收缩,在1300 ℃ 时红柱石细粉已经开始发生反应,伴随有一定量的体积效应; 温度继续升高,颗粒也从表面开始向内部反应,体积效应持续增强,这样就补偿了矾土质浇注料的部分收缩,但其整体性遭到破坏,常温性能降低。

图1 红柱石添加量与试样耐压强度的关系

图2 红柱石添加量与试样抗折强度的关系

图3 红柱石添加量与试样体积密度的关系

图4 红柱石径添加量与试样显气孔率的关系

图5 红柱石添加量与试样线变化率的关系

v图6 红柱石添加量与试样高温抗折强度的关系

3.2红柱石对矾土质浇注料高温抗折强度的影响

图6是试样的高温抗折强度和红柱石添加量的关系图。随着红柱石添加量的增加,试样的高温抗折强度也逐渐提高。这是因为空白试样基质中含有一定量的杂质( Fe2O3、Ti O2、Ca O、Na2O、K2O等) ,降低了铝矾土微粉的烧结温度,当试样经过1450 ℃ × 1 h后,试样内部的基质部分已经烧结,即包裹在骨料周围的是熔融液相,大大降低了试样内部骨料颗粒之间的粘结,受自身重量或外来应力的影响很容易就会断裂。加入红柱石后,红柱石发生反应,生成的莫来石和二氧化硅玻璃相大部分存在基质中,排列在骨料的周围,封闭和填充了骨料周围的一些开口气孔。生成的莫来石熔点很高( 1840 ℃) ,因此莫来石以固态的形式存在基质中, 有效的降低了基质中液相的数量; 莫来石以针、柱状的形态排列在骨料颗粒表面,可以起到增韧的作用。当对试样施加压力时,随着应力的增大,会在试样内部形成裂纹,裂纹沿着应力的传递方向延伸,当应力传来时,莫来石的针、柱状结构或是直接消耗应力能( 表现为莫来石折断、拔出) ,或是间接消耗应力能即改变应力的传递方向( 表现为沿莫来石长径方向传递) 延长途径。因此红柱石可以显著地提高矾土质浇注料的高温抗折强度。

3.3红柱石对矾土质浇注料热震稳定性的影响

图7是试样的残余强度和红柱石添加量的关系图。由图可以发现,矾土质浇注料试样的热震稳定性随着红柱石添加量的增加而逐渐提高。这是因为在高温下红柱石发生了莫来石化反应,分解成为针、柱状莫来石相和二氧化硅玻璃相,填充和封闭了大量的开口气孔。高温条件下玻璃相吸收热应力; 另一方面,莫来石相改变了裂纹的传递路径,有效遏制裂纹扩展。因此红柱石能有效地改善矾土质浇注料的热震稳定性。

图7 红柱石添加量与试样残余强度的关系

图8 试样 XRD 分析对比图

3.4XRD分析

图8是试样在不同温度下煅烧后的XRD对比图,其主要物相组成见表2。由表2可以看出,1300 ℃ 煅烧时红柱石已经开始反应,1500 ℃煅烧后约有27% 的红柱石发生反应,此时反应基本完成。红柱石高温反应生成的莫来石相在骨料颗粒表面排列,部分生成的二氧化硅玻璃相填充了试样内部的孔隙,有效的改善了试样的高温性能。生成的二氧化硅和试样本身及红柱石中带有的钠长石等杂质相会降低浇注料的烧后常温性能。  

表2 红柱石添加量为 30%的试样烧后的物相组成

4结论

( 1) 红柱石的加入,抑制了矾土质浇注料的高温收缩,但其常温性能下降;

( 2) 红柱石的引入显著提高了矾土质浇注料的高温性能。当其添加量添加量达到30% 时,试样的高温抗折强度达到最大值1. 811 MPa,比空白试样提高了将近10倍; 试样的残余强度保持率达到最大值57. 41% ,几乎提高了1. 5倍;

( 3) 矾土质浇注料中的红柱石在1300 ℃ 的煅烧温度下已经开始反应,在1400 ℃ 的煅烧温度下大量反应,在1500 ℃的煅烧温度下反应基本完成。（来源：中国知网）

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