以微孔剛玉－尖晶石骨料替代剛玉骨料制備剛玉－尖晶石澆注料

劉學新 張錦化 陳鑫銘 王景然 楊宗源 韓兵強 柯昌明

1）武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室 湖北武漢 430081

2）湖北斯曼新材料股份有限公司 湖北黃岡 438400

剛玉－尖晶石澆注料具有良好的性能，在鋼包工作襯中得到廣泛應用［1－2］。但其熱導率較大，導致鋼包的熱損失較大［3－4］。通過在鋼包工作襯耐火材料中引入輕質骨料，可明顯改善其保溫性能，但其抗渣滲透能力下降［4－9］。

在前期工作中開發的微孔剛玉－尖晶石骨料，具有特殊的氣孔結構，即在剛玉基體微氣孔內表面原位生成了富鋁尖晶石，在降低骨料熱導率的同時，利用氣孔內表面原位生成的富鋁尖晶石，明顯改善和強化氣孔的抗熔渣滲透及侵蝕能力［10－11］。為了提高鋼包工作襯用剛玉－尖晶石質澆注料的保溫性能，并兼顧其抗渣滲透性能，在本工作中，以微孔剛玉－尖晶石骨料部分或全部替代燒結剛玉骨料制備鋼包工作襯用剛玉－尖晶石澆注料，研究了替代量對澆注料的常規物理性能、熱導率和抗渣性的影響。

1 試驗

1.1 試驗原料

試驗用原料有：自制的微孔剛玉－尖晶石骨料（8～5、5～3、3～1和≤1 mm），燒結剛玉骨料（8～5、5～3、3～1和≤1 mm）和細粉（≤0.045 mm），電熔鎂砂細粉（≤0.075 mm），中位徑分別為1.7和1.3μm的α-Al2O3微粉和尖晶石微粉，純鋁酸鈣水泥Secar 71，減水劑WSM－R1。

主要原料的主要化學組成見表1，2種骨料的主要物理性能見表2。

表1 主要原料的化學組成

表2 2種骨料的主要物理性能

經壓汞儀孔徑分布分析，微孔剛玉－尖晶石骨料的孔徑集中分布在0.1～1.5μm，中值孔徑約為0.8 μm；而燒結剛玉骨料的孔徑一部分分布在0.2～1.5 μm，還有較大一部分分布在＞100μm。此外，燒結剛玉骨料和微孔剛玉－尖晶石骨料的孔容分別為0.023和0.062 cm3·g－1。

經XRD分析，微孔剛玉－尖晶石復合骨料由剛玉和尖晶石組成；其中的尖晶石為富鋁尖晶石，Al2O3含量約78.0%（w）。

經顯微結構分析，2種骨料中都存在孔徑小、近球形的晶粒內氣孔，孔徑較大、形狀不規則的晶粒間氣孔。與剛玉骨料相比，微孔剛玉－尖晶石骨料的氣孔數量較多，孔徑較小。

1.2 試樣制備及檢測

用微孔剛玉－尖晶石骨料部分或全部替代燒結剛玉骨料，具體配比見表3。其中，基質包含燒結剛玉細粉、活性尖晶石微粉、α-Al2O3微粉和電熔鎂砂細粉。

表3 試樣配比

按表3配料，干混3 min后加水攪拌5 min，按GB／T 2419—2005測定泥料的流動性，然后振動澆注成型為40 mm×40 mm×160 mm的長條試樣，外部尺寸為70 mm×70 mm×70 mm、內孔尺寸為φ30／20 mm×40 mm的坩堝試樣，φ150 mm×20 mm圓片試樣，自然養護24 h后脫模，在110℃烘箱中干燥24 h后，分別在1 100和1 600℃保溫3 h熱處理。

按相關標準檢測烘干后試樣在1 100和1 600℃保溫3 h熱處理后的加熱永久線變化率（GB／T 5988—2007），烘干及不同溫度熱處理后試樣的體積密度和顯氣孔率（GB／T 2997—2000）、常溫抗折強度（GB／T 3001—2007）、常溫耐壓強度（GB／T 5072—2008），烘干后試樣在1 400℃保溫0.5 h條件下的高溫抗折強度（GB／T 3002—2004），烘干后試樣分別在300、600、800和1 000℃下的熱導率（YB／T 4130—2005）。

按GB／T 8931—2007檢測試樣的的抗渣性能，試驗渣為轉爐終渣。試驗渣的化學組成（w）為：CaO 45.62%，Fe2O329.48%，SiO214.89%，MgO 7.44%，Al2O31.36%，Na2O 0.02%，P2O51.97%，SO30.10%?？乖囼灄l件為1 600℃保溫3 h?？乖囼灪笱刿釄蹇字行妮S方向剖開，測量其侵蝕面積，計算侵蝕面積百分率。

2 結果與討論

2.1 常規性能

試樣的流動值、加熱永久線變化率、體積密度、顯氣孔率、抗折強度、耐壓強度等性能見表4。

表4 試樣的常規物理性能

由表4可以看出：1）隨著微孔剛玉－尖晶石加入量的增加，雖然試樣的加水量逐漸增多，但其流動值卻依次減小。這是因為微孔剛玉－尖晶石骨料的氣孔率比燒結剛玉骨料的大，需消耗更多的水。2）各試樣在1 100和1 600℃熱處理后均發生較小的膨脹，這與熱處理過程中生成鎂鋁尖晶石和六鋁酸鈣有關。3）隨著微孔剛玉－尖晶石加入量的增加，烘干及不同溫度熱處理后試樣的體積密度顯著減小，顯氣孔率顯著增大，這是由2種骨料的體積密度和顯氣孔率不同導致的。4）隨著微孔剛玉－尖晶石加入量的增加，烘干后試樣的常溫抗折強度、常溫耐壓強度和高溫抗折強度均逐漸減小，不同溫度熱處理后試樣的常溫抗折強度也依次減小。烘干后試樣的強度取決于骨料的強度，而微孔剛玉－尖晶石骨料的強度比燒結剛玉骨料的低；高溫抗折強度和不同溫度熱處理后試樣的常溫抗折強度均以烘干后試樣的強度為基礎。5）經不同溫度熱處理后，加入微孔剛玉－尖晶石試樣的常溫耐壓強度均小于燒結剛玉為骨料試樣的。微孔剛玉－尖晶石骨料的氣孔率明顯高于燒結剛玉骨料的，這是試樣強度下降的主要原因。

2.2 熱導率和抗渣性能

烘干后試樣的熱導率隨溫度的變化見圖1?？梢钥闯觯涸诓煌瑹崦鏈囟认?，試樣的熱導率均隨著微孔剛玉－尖晶石加入量的增加逐漸減小。這是因為微孔剛玉－尖晶石骨料的總氣孔率大于燒結剛玉骨料的，并且孔徑也比燒結剛玉骨料的??；此外，微孔剛玉－尖晶石骨料中尖晶石的本征熱導率也低于剛玉的［13］。降低熱導率可以提高鋼包的保溫性能，降低能源消耗。

圖1 試樣的熱導率隨溫度的變化

抗渣試驗后坩堝試樣的剖面照片見圖2，侵蝕面積和侵蝕面積百分率見圖3。從圖3可以看出：與試樣A0相比，試樣D11和試樣D15的侵蝕面積和侵蝕面積百分率逐漸增大。這主要是因為微孔剛玉－尖晶石骨料的氣孔率比燒結剛玉骨料的大。渣沿基質滲透，渣中的FeO、MnO、Fe2O3等成分被尖晶石吸收，形成尖晶石固溶體（SS）。熔渣中的CaO與基質中的Al2O3反應形成六鋁酸鈣（CA6）。渣與基質反應形成相對致密的陶瓷層，阻礙了熔渣對澆注料的進一步滲透和侵蝕。

圖2 抗渣試驗后坩堝試樣的剖面照片

圖3 抗渣試驗后坩堝試樣剖面的侵蝕面積和侵蝕面積百分率

抗渣試驗后試樣D15侵蝕（滲透）層－原磚層界面附近的顯微結構照片見圖4?？梢钥闯?，侵蝕（滲透）層主要由粒狀（Mg，Fe，Mn）（Al，Fe）2O4［簡稱C（A，F）6］尖晶石固溶體、板狀Ca（Al，Fe）2O4［簡稱C（A，F）］、鈣鋁黃長石（C2AS）和玻璃相等組成。熔

圖4 試樣D15侵蝕層－原磚層界面附近的顯微結構照片

3 結論

采用微孔剛玉－尖晶石骨料部分或全部替代同粒級的燒結剛玉骨料制得的剛玉－尖晶石澆注料，其體積密度和熱導率均明顯降低，力學性能略有下降，但抗渣侵蝕性能沒有明顯下降。將其用于鋼包工作襯，有助于鋼包減重，提高鋼包保溫性能。