摘    要：铝镁浇注料具有优良的高温强度、抗蠕变性、抗热震性和较高的使用温度,其抗碱性渣的能力较强,广泛应用于钢包包壁。硅微粉对铝镁浇注料性能影响较大,本文通过在铝镁浇注料中变化硅微粉含量,分析了硅微粉对铝镁浇注料性能的影响。研究结果表明:铝镁浇注料在1773 K及1373 K热处理条件下,随着硅微粉含量的增加,试样体积密度及耐压抗折强度呈现先增大后减小趋势,显气孔率呈现先减小后增大趋势;加入5%硅微粉的试样线膨胀系数比4%试样的大,1773 K热处理的线膨胀系数比1373 K热处理试样的大,在低于873 K情况下铝镁浇注料导热系数随硅微粉含量增加而增加。综合考虑铝镁浇注料在钢包使用过程中各方面的性能要求,在现有颗粒级配工艺下,硅微粉含量较为合适的配比值为3%~4%。

1引言

铝镁浇注料具有优良的高温强度、抗蠕变性、抗热震性和较高的使用温度,其抗碱性渣的能力较强,不易与碱性渣发生反应,广泛应用于普通转炉钢包的渣线和包壁及精炼钢包的包壁[1,2]。铝镁浇注料主要由骨料、粉料、结合剂及外加剂等所构成,骨料主要起骨架作用,在浇注料中一般用量为60% ~ 75% ; 粉料起结合骨料、填充空隙及改善施工等作用,其用量一般为25% ~ 40%[3]。镁铝浇注料基质部分由高铝粉、镁铝尖晶石粉、电熔镁粉及硅微粉通过化学反应组成,高铝粉起填充作用且也可能参与具体的反应,但对材料的影响相对稍小; 结合剂是胶结耐火材料骨料和粉料并使浇注料形成良好强度的材料,在铝镁浇注料中,起主要结合作用的是镁砂,是胶结耐火材料骨料和粉料的主要成分,可使浇注料形成良好强度的材料; 硅微粉粒度为2 μm左右,具有非常优异的物理和化学性质,不但有一定的结合作用,而且对微孔的填充及减少浇注料加水量都有很大作用,常被引入浇注料基质中以提高浇注料的致密性、力学及热学等性能,镁铝浇注料性能受硅微粉的影响非常大,因此本文通过加入硅微粉来研究其对铝镁浇注料的影响非常有现实意义,可指导其在钢包及其他方面的应用。

2试验

2.1原料选择

以山西阳泉的特级高铝为骨料,以90高铝粉、电熔镁砂粉、硅微粉为细粉,此外还有外加剂等,各原料主要化学组成见表1:  

表1 原料的化学组成/ wt%

根据实验及有关参考文献[4-6],在铝镁浇注料中,电熔镁砂粉含量在9. 5% ~ 10. 5% 配比下可使材料性能达到最优,本实验将试样电熔镁砂粉含量定为9. 5% ,骨料配比定为10 ~ 5 mm 24% 、5 ~ 3 mm 20% 、3 ~ 1 mm 15% 、1 ~ 0 mm 8% ,变化硅微粉含量以研究其对铝镁浇注料的性能影响,具体组成见表2。

表2 试验组成

/ wt%

2.2试样制备

基质相的粉料用球磨机共混均匀,混料时间为1 h。首先将颗粒料按设计组成进行配料,而后将称量好的颗粒料放入干净的混练机中进行搅拌,混合均匀后加入共磨细粉,搅拌均匀后加水进行湿混,湿混均匀后出料并将料加入振动台上的40 mm × 40 mm × 160 mm模具内振动成型。成型试样在空气中自然养护24 h后脱模,静置24 h后置于383 K烘箱中干燥24 h,然后分别于1373 K、1773 K热处理,保温时间为3 h。

2.3性能测试

试样的物理力学性能参照相关国家标准进行,其中线膨胀的测试是将样条加工成10 mm × 50 mm的圆柱体放入高温膨胀仪中加热,以测量出的材料线膨胀随温度变化而变化的状况来表征。导热系数测试采用平板法,试样尺寸为230 mm × 114 mm × 64 mm。

3结果与讨论

通过对铝镁浇注料的性能测定和分析,研究硅微粉含量变化对铝镁浇注料性能的影响,从材料学角度分析硅微粉对铝镁浇注料的影响机理和机制,力争根据实验结果及分析和研究对目前生产用铝镁浇注料工艺进行优化改进。

3.1硅微粉对浇注料结构性能的影响

从图1可以看出,随着硅微粉含量的增加,试样加水量逐渐减小,加水量从6% 逐步减少到5. 1% ,这是由于硅微粉有良好的分散和填充特性,可使浇注料加水量减少,从而有效增加浇注料的流动特性[7]。

图2、3为不同温度热处理后试样体积密度和显气孔率随硅微粉含量的变化。从图2可以看出1773 K热处理后试样体积密度呈现先增大后减小的趋势,显气孔率呈现先减小后增大的趋势,主要原因为: 体积密度一定时,形成的低熔物基本一定,硅微粉量稍低时, 形成的莫来石和镁铝尖晶石膨胀相主要导致气孔率下降及结构致密; 硅微粉含量进一步增加将导致莫来石膨胀相生成量增加,从而导致体积膨胀,体积密度减小及气孔率增大。从图3可以看出在1373 K热处理后,试样体积密度基本变化不大,但呈现先增大后减小的趋势,试样显气孔率呈现先减小后增大趋势,出现这种体积密度及显气孔率变化趋势的主要原因为: 一方面, 硅微粉具有良好的流动性,可降低加水量,使材料结构更加致密; 另一方面,浇注料的微细空隙有限且硅微粉本身体积密度较低,过多加入,必然会引起体积密度的降低及气孔率的触底反弹。总的来说,1373 K及1773 K热处理后试样的体积密度及气孔率在研究范围内随硅微粉含量的增加变化不大,1773 K比1373 K热处理后试样体积密度大和气孔率低的主要原因是烧成收缩及莫来石及镁铝尖晶石膨胀生成相填充气孔,导致材料气孔率降低很多所致。

图1 加水量随硅微粉含量变化

图2 1773 K 热处理试样体积密度、显气孔率与

图3 1373 K 热处理试样体积密度、显气孔率与

3.2硅微粉对浇注料力学性能的影响

图4、5表征铝镁浇注料试样耐压及抗折强度随硅微粉含量的变化,从图中可以看出试样在1373 K热处理后,试样耐压、抗折强度同样呈现先增加后降低趋势,主要原因为: UF-Si O2粒径很小,其表面暴露了大量的未键合的氧离子,这些未键合的氧离子被Mg O颗粒表面上的镁离子吸附可形成Mg-O-Si链,因Mg-O-Si链的存在,在升温过程中可减少排水量,降低组织结构的开裂; 同时Mg O颗粒被Mg-O-Si链互相连接起来,可促进浇注料强度的提高。这种链键网络状结构,至1473 K未发生明显的变化,可有助于浇注料在升温过程中保持较高的强度[8],前期试样强度随硅微粉增加而逐渐升高的原因主要与硅微粉的Mg-O-Si链形成增强有关,后期的强度下降估计与致密度下降及气孔率升高有关。在1773 K热处理后耐压、抗折强度同样呈现先增加后降低的变化趋势,主要原因为硅微粉加入量稍小时,低熔物及莫来石和镁铝尖晶石膨胀相的生成, 可通过内连互锁将基体中的晶粒很好地连接起来,从而引起强度的升高,但随着硅微粉进一步增加,尖晶石生成量及莫来石增加,体积膨胀,结构变得疏松,从而引起强度下降。总的来说,从图4和图5可以看出,在1273 ~ 1473 K时一方面因结合相脱水导致基质部分水化物较少,另一方面,此时因基质中液相的形成温度较高而烧结还未进行,且因富含的刚玉、莫来石及热膨胀系数不一致而形成一些缺陷,从而致使浇注料性能恶化,强度下降。高温时,有大量的低熔物及莫来石和镁铝尖晶石膨胀相生成,可导致强度的提高[9],因此, 加入硅微粉的铝镁浇注料试样1773 K热处理后的抗折和耐压强度比1373 K热处理的高很多。

图4 试样耐压强度随硅微粉含量的变化

图5 试样抗折强度随硅微粉含量的变化

3.3硅微粉对浇注料热学性能的影响

图6为铝镁浇注料试样线膨胀系数随硅微粉含量的变化。从图6可以看出,1773 K热处理2# 试样随温度升高线膨胀系数逐渐增大,该试样在373 K以下呈现收缩特性,在1673 K左右线膨胀系数在升高到一定程度后开始呈现下降趋势; 1773 K热处理3# 试样呈现先降低后增加趋势,在373 K附近线膨胀达到最小, 373 ~ 493 K之间试样线膨胀增加迅速,随后缓慢增加,在1673 K附近试样线膨胀系数在升高到一定程度后开始呈现降低趋势。1373 K热处理2# 及3# 试样随温度升高呈现先降低后增加趋势,在373 K附近线膨胀达到最小,373 ~ 493 K之间试样线膨胀增加迅速,随后缓慢增加,试样线膨胀系数在升高到一定程度后在1673 K附近开始呈现降低趋势。试样1673 K附近线膨胀系数降低的主要原因可能是低熔点相的过度生成所致。从图6可以看出,总体来说,加入5% 硅微粉的试样线膨胀系数比4% 硅微粉的试样线膨胀系数要大及高温处理的线膨胀系数比低温处理试样的要大,试样线膨胀系数越大,则受到热冲击时材料尺寸变化较大,产生热应力大且易产生剥落等不利现象。

试样导热率对材料性能有很大影响,导热率大则保温性能差,但材料易于温度传递,易使材料在受到热冲击时在短时间内达到温度均匀分布,温度梯度小,产生热应力小; 内衬材料导热率小,则保温性能好,内衬材料温度达到均匀分布所需时间长,温度梯度大,产生热应力增大[10]。图7为铝镁浇注料导热率随着硅微粉变化的情况,可以看出四种试样导热率随着温度升高变化的规律大致相同,在573 K以下随着温度升高导热率迅速降低,主要与浇注料中自由水的排除造成致密度下降及气孔率升高有关,随后在673 ~ 1473 K时, 随着温度升高导热率逐步降低但变化缓慢,一方面因结合相中结晶水的进一步脱出造成体积密度下降及气孔率升高,另一方面,此时因基质中液相的形成温度较高而烧结还未进行,不利于热量传递,从而导致换热能力相应减弱,导热率降低,1473 K导热率的稍微升高应该与试样的轻微烧结有关。从图中可以看出,在小于873 K情况下,随着硅微粉含量增加,试样导热率增加,这主要应该跟材料致密度有关,表明低温情况下硅微粉量增加有利于材料导热; 在1173 K以后导热率随硅微粉加入量变化的规律稍微复杂的原因主要与致密度变化和初生矿相等多重作用有关,具体应根据具体情况分析。

图6 试样 2# ~ 3# 线膨胀系数变化

图7 试样 1# ~ 4# 导热率变化

3.4浇注料工艺设计及优化

从前面的研究可知,随着硅微粉含量增加,试样加水量逐渐减少,1773 K及1373 K热处理试样随硅微粉含量增加体积密度呈现先增大后减少的趋势,1773 K及1373 K热处理试样随硅微粉含量增加试样耐压、 抗折强度呈现先增加后降低的变化趋势,这与试样的体积密度变化规律相似,1773 K热处理后2#试样在453 K以下呈现收缩特性,随温度升高线膨胀系数逐渐增大,1773 K及1373 K热处理试样线膨胀系数在低温时变化较复杂,随后随温度升高逐渐升高,到1673 K附近开始呈现降低趋势。在小于873 K情况下,随着硅微粉含量增加,试样导热率增加,这主要应该跟材料致密度有关,表明低温情况下硅微粉量增加有利于材料导热; 随着温度升高,四种试样在573 K以上导热率迅速降低,主要与水化物脱水造成致密度下降及气孔率升高所致,随后随着温度升高导热率变化缓慢,在1173 K以后导热率随硅微粉加入量变化而变化的规律稍微复杂的原因有致密度和初生矿相等的多重作用,具体应根据具体情况分析。

由以上分析可以看出,试样性能随着硅微粉含量变化的规律非常复杂,不过从热学性能来说,铝镁浇注料在钢包的使用希望其拥有较低的导热系数以保证材料保温效果的增强,希望其拥有较低的热膨胀系数以保证材料因温度变化产生的热应力较低,从研究来看,较低的硅微粉含量较好。然而从致密性及力学性能来说,加入4% 硅微粉含量的体积密度及强度较高。因此,综合铝镁浇注料在钢包的使用过程中各方面的性能,在现有颗粒级配工艺下,硅微粉含量较为合适的配比值为3% ~ 4% ,在该配比下试样力学性能较高、体积密度较大、气孔率较小,高温下线膨胀系数小及导热系数较低。

4结论

( 1) 1773 K及1373 K热处理后,随着硅微粉含量的增加,试样体积密度基本呈现先增大后减小趋势,显气孔率基本呈现先减小后增大趋势;

( 2) 1773 K及1373 K热处理后,随着硅微粉含量的增加,试样耐压、抗折强度呈先增大后降低变化。高温时大量的低熔物及莫来石和镁铝尖晶石膨胀相生成导致1773 K热处理铝镁浇注料试样强度比1373 K热处理的提高很多;

( 3) 在低于873 K情况下试样导热率随着硅微粉含量增加而增加,表明低温情况下硅微粉含量增加有利于材料导热性能的提高; 加入5% 硅微粉的试样线膨胀系数比4% 硅微粉的试样线膨胀系数要大且高温处理的线膨胀系数比低温处理试样的要大;

( 4) 综合铝镁浇注料在钢包的使用过程中各方面的性能要求,在现有颗粒级配工艺下,硅微粉含量较为合适的配比值为3% ~ 4% ,在该配比下试样性能优良。（来源：中国知网）