摘    要：为了改善Al2O3-MgO浇注料的常温以及高温性能，对比研究了活性氧化铝微粉种类(PBR、PFR40、M)对钢包用Al2O3-MgO浇注料流动值和脱模、烘后、1 550℃热处理后常温性能及高温性能的影响。结果表明:1)采用振动台法，加入PFR40的浇注料试样的流动值更大; 2)加入PFR40的浇注料试样脱模和烘后的显气孔率最小，具有较好的抗渣渗透性，且常温耐压强度最高; 3)加入PFR40的浇注料试样有较好的抗热震性能和高温抗折强度。

目前，应用最为广泛的钢包用Al2O3-Mg O浇注料的水硬性结合体系分为水泥结合和水合氧化铝(ρ-Al2O3)结合，其结合强度均由水化反应产生。

水泥结合体系中，由于会引入Ca O，在使用过程中会形成钙黄长石和斜长石等低熔点物相，进而降低材料的耐火度和高温性能;而低熔点物相变质层在使用过程中易开裂剥落，进而降低材料的使用寿命。随着品种钢产量逐年提高，钢包炉外精炼比例逐年增大，钢包的使用条件也愈来愈苛刻。未来水泥结合浇注料可能无法满足实际应用，亟需开发新结合体系浇注料[1]。

在水合氧化铝结合体系中，由于可水合氧化铝避免了引入Ca元素，能在含氧化铝浇注料体系中最大程度保证其纯净度，进而在使用过程中维持良好的抗渣性能，所以，其在不定形耐火材料的应用有巨大潜力。此外，水合氧化铝结合浇注料可大量吸收渣中Ca O，使碱度下降，还形成了CA6致密层，阻挡Ca O进一步渗透到材料内部，从而抑制渣的进一步侵蚀[2]。在实际生产中，由于ρ-Al2O3的水化作用较快，使得浇注料流动性不佳，影响了浇注料的可施工时间，因此，常需要加入某些添加剂或其他结合剂。ρ-Al2O3剧烈的水化热及快速的脱水速率成为限制其应用的根源性问题。目前，国内外学者对于该问题的研究主要着眼于制备工艺和表面改性。

王玮[3]对不同结合剂结合镁铝浇注料抗渣性能的研究结果表明:水合氧化铝结合体系较水泥结合体系有更好的抗渣性能。彭从华[4]对不同结合剂结合镁铝浇注料的性能进行了研究，结果表明:采用水合氧化铝结合的试样整体抗热震性和抗渣性能较水泥结合的要好;在1 600℃保温3 h条件下，水合氧化铝结合浇注料和水泥结合浇注料有相近的常温强度。王庆恒等[5]研究了PBR和PFR40两种活性氧化铝微粉对水泥结合体系的影响。在本工作中，为了选择在ρ-Al2O3结合浇注料体系中最合适的原料，研究了国外PBR和PFR40以及国内活性氧化铝微粉M对ρ-Al2O3结合浇注料性能的影响。

1 试验

1.1 原料

试验原料为:粒度5～3、3～1、≤1和≤0.074 mm(200目)的板状刚玉，粒度≤1和≤0.074 mm(200目)的电熔镁砂，活性氧化铝微粉PBR和PFR40以及活性氧化铝微粉M，水合氧化铝微粉ZP，聚羧酸类减水剂FS60。3种活性氧化铝微粉的理化性能见表1。

表1 不同种类活性氧化铝微粉的理化性能

1.2 试样制备

试样的基础配方(w)为:板状刚玉颗粒(5～3、3～1、≤1 mm) 69%，板状刚玉细粉(≤0.074 mm)12%，电熔镁砂(≤1、≤0.074 mm) 5%，水合氧化铝微粉5%，活性氧化铝微粉9%，水4.4%(外加)。

按照试样的基础配方配料，外加0.4%(w)的FS60，在搅拌机中干混3 min后，加入水继续搅拌3 min。将一部分搅拌均匀的料采用跳桌法与振动台法测试其流动值;另一部分浇注到模具中，在恒温恒湿箱(25℃，47.0%的湿度)养护24 h后脱模，然后在烘箱中于110℃干燥24 h，最后在1 550℃保温3 h热处理。

1.3 性能测试

按GB/T 2419—2005检测浇注料跳桌15次循环后的流动值;采用振动台法按EN1402—4:2003检测浇注料的流动值;按GB/T 2997—2000检测脱模、烘后、1 550℃热处理后试样的显气孔率和体积密度;按GB/T 3001—2007检测脱模、烘后、1 550℃热处理后试样的常温抗折强度;按GB/T 5072.2—2004检测脱模、烘后、1 550℃热处理后试样的常温耐压强度;按GB/T 3002—2004检测1 550℃热处理后试样1 400℃条件下的高温抗折强度;按GB/T 30873—2014检测1 550℃热处理后试样的抗热震性能，以残余常温抗折强度表征;按ASTMC885检测1 550℃热处理后试样热震前后的弹性模量;按静态坩埚法检测110℃烘后试样经1 550℃抗渣试验后的抗渣性能，具体添加60目(0.3 mm)筛下26 g转炉终渣(来自国内某钢厂，化学组成(w)为:Si O218.02%,Al2O32.93%,Fe2O318.54%,Ca O 45.59%,Mg O 3.52%,Ti O21.18%)，在坩埚试样图片中，用彩笔分别画出侵蚀层和渗透层的边线(如图1所示)，然后，用求积法分别计算出坩埚试样剖面的原内孔截面积、侵蚀面积、渗透面积及渗透指数和侵蚀指数。渗透指数P计算公式见式(1)，侵蚀指数C计算公式见式(2)。

式中:P为渗透指数;C为侵蚀指数;S为坩埚试样剖面的原内孔截面积，mm2;S1为坩埚试样剖面被渗透的面积，mm2;S2为坩埚试样剖面被侵蚀的面积，mm2。

图1 抗渣后坩埚试样轮廓示意图  

2 结果与讨论

2.1 对浇注料流动值的影响

浇注料的流动值见图2。可以看出:对于采用跳桌法测试所得的流动值，活性氧化铝微粉种类对流动值影响较小;对于采用振动台法所得的流动值，活性氧化铝微粉为PFR40的浇注料的流动值明显大于PBR的和M的。由于采用不同测试标准，振动频率和振动幅度存在较大差异，因此，不同方法的检测结果有较大区别。

图2 活性氧化铝微粉种类对浇注料流动值的影响  

2.2 对浇注料性能的影响

浇注料试样的体积密度和显气孔率见图3。可以看出:活性氧化铝微粉种类对浇注料试样的显气孔率和体积密度的影响不大;加入PFR40的浇注料试样在脱模和110℃烘后的显气孔率最小，这是由于加入PFR40的浇注料试样在振动过程中的流动值较大，促进了在振动过程中气体的排除。 

图3 活性氧化铝微粉种类对浇注料试样体积密度和显气孔率的影响   

浇注料试样的力学性能见图4。由图4可知:活性氧化铝种类对浇注料试样脱模后、110℃烘后和1 550℃热处理后的常温抗折强度影响不大;加入PFR40的浇注料试样在脱模后和110℃烘后的常温耐压强度最高，加入M的浇注料试样在1 550℃热处理后的常温耐压强度最高;在1 400℃时，加入PBR和PFR40的浇注料试样有更大的高温抗折强度。

图4 活性氧化铝微粉种类对浇注料试样的常温抗折强度、常温耐压强度和高温抗折强度的影响  

活性氧化铝微粉种类对1 550℃烧后浇注料试样弹性模量和抗热震性能的影响如图5所示。

图5 活性氧化铝微粉种类对1 550℃烧后浇注料试样抗热震性能和弹性模量的影响  

由图5(a)可知:加入PFR40的浇注料试样在热震2～5次后，弹性模量保持率最高;由图5(b)可知，加入PFR40的浇注料试样在热震5次后的残余常温抗折强度最高，说明PFR40在多次热循环后仍具有更高的力学性能，更高的使用寿命。

活性氧化铝微粉种类对110℃烘后浇注料试样抗渣性能的影响如图6所示。由图6(a)可知，活性氧化铝微粉对试样的抗渣性能的影响不大。由图6(b)可以发现:加入M和PFR40的浇注料试样较加入PBR的侵蚀指数和渗透指数更小，加入M的浇注料试样的侵蚀指数最小，加入PFR40的浇注料试样渗透指数最小。从图6(c)中坩埚纵切面的基质层与渗透层交界处的EDS元素分析可以发现:在加入PBR的浇注料试样基质层中存在Ca、Si元素，说明渣已经渗透到了基质中;而加入M和PFR40的浇注料试样基质层中没有观察到Ca、Si元素，说明渣未渗透到基质中，具有较好的抗渣性能。由于在110℃烘后，加入M和PFR40的浇注料试样的显气孔率更小，可以阻止渣的渗透，因此，具有更好的抗渣性能。在图6(c)的SEM照片中可观察到，加入M和PFR40的浇注料试样有更多的狭长型孔隙，而加入PBR的浇注料试样则有更多的圆形孔隙，而狭长型孔隙较圆形孔隙能更好地阻止渣的渗透[6,7]。综合比较下，加入M与PFR40的浇注料试样有更好且相近的抗渣性能。

图6 活性氧化铝微粉种类对浇注料试样经1 550℃抗渣试验后的抗渣性能的影响  

3 结论

(1)在同样加水量条件下，对于采用跳桌法测试所得的流动值，活性氧化铝微粉种类对流动值影响较小，对于采用振动台法所测得的流动值，加入PFR40的浇注料试样的流动值明显大于加入PBR和M的。

(2)加入PFR40的浇注料试样脱模和110℃烘后的显气孔率最小，且有最高的常温耐压强度;活性氧化铝微粉种类对常温抗折强度的影响不大;在1 400℃时，加入PBR和PFR40的浇注料试样有更高的高温抗折强度。

(3)加入PFR40的浇注料试样在热震2～5次时，弹性模量保持率最高;加入PFR40的浇注料试样在热震5次后的残余常温抗折强度最高。

(4)加入PFR40的浇注料试样的显气孔率较小，因此，在渣的熔蚀过程中展现出较好的抗渣渗透性。(来源：中国知网）