活性MgO和鋁酸鈣水泥結合剛玉－尖晶石澆注料性能對比

趙宗強 張洪睿 陳留剛

鄭州大學材料科學與工程學院河南省高溫功能材料重點實驗室 河南鄭州 450052

鋁酸鈣水泥（CAC）結合的剛玉－尖晶石澆注料被廣泛應用于鋼包中［1－5］。尖晶石（MgAl2O4）的引入方式有原位生成和預合成后加入兩種。其中原位MgAl2O4活性高，能更好地提高澆注料的抗熔渣滲透性［6－8］。但MgAl2O4的形成過程伴有8%的體積膨脹［2］，影響CAC結合澆注料的高溫體積穩定性，進而影響其高溫強度和抗渣性能［9］。近年來，活性MgO被用作結合劑制備剛玉－尖晶石質澆注料［10］?；钚訫gO的水化產物賦予澆注料一定的脫模強度［11－14］，并且MgO在高溫下會與剛玉反應形成原位尖晶石［6－7］，使得MgO結合的澆注料具有更好的抗渣性。在本工作中，以活性MgO為結合劑制備了剛玉－尖晶石澆注料，并與CAC結合的剛玉－尖晶石澆注料進行了性能對比。

1 試驗

1.1 試驗原料

試驗用原料有板狀剛玉骨料（6～3、3～1、1～0.5和≤0.5 mm）和細粉（≤0.45 mm），活性氧化鋁（BI－2），燒結鎂砂細粉（≤0.45 mm），乳酸鋁（≤0.45 mm），減水劑FS10和FS60。結合劑選用鋁酸鈣水泥（Secar 71）和活性MgO（d50＝4.48μm，MgO、CaO、SiO2、Fe2O3的質量分數分別為98.25%、1.45%、0.26%、0.03%）。

1.2 試樣制備

活性MgO結合的試樣RM和鋁酸鈣水泥結合的試樣CAC的配料組成見表1。將配好的料手動預混1 min，在水泥膠砂攪拌機中干混1 min，然后加水濕混2 min。最后，將攪拌好的料振動澆注成25 mm×25 mm×150 mm 的條狀試樣和外部尺寸為φ60／70 mm×70 mm、內孔尺寸為φ35／40 mm×35 mm的坩堝試樣。

表1 試樣配比

再按表1中細粉部分的配比配料，手動干混1 min后倒入一次性塑料杯中，用攪拌器攪拌1 min，再加水攪拌2 min，制成基質試樣。澆注料試樣和基質試樣自然養護24 h后，在110℃干燥24 h，然后在1 600℃保溫3 h燒成。

1.3 性能檢測

按GB／T 5988—2007測量燒后試樣的加熱永久線變化。分別按GB／T 3001—2007和GB／T 5072—2008檢測燒后澆注料試樣的常溫抗折強度和常溫耐壓強度。按GB／T 2997—2015檢測燒后澆注料試樣的體積密度和顯氣孔率。

按GB／T 8931—2007檢測澆注料試樣的抗渣性能。稱取30 g的CaO－Al2O3－Fe2O3－SiO2渣（渣中MgO、Al2O3、CaO、SiO2、Fe2O3、MnO的質量分數分別為6.50%、4.56%、30.41%、16.74%、34.85%、5.01%），放入經1 600℃熱處理3 h后的澆注料坩堝試樣中，在1 600℃保溫3 h，冷卻后沿坩堝孔中心軸切開，測量其剖面的侵蝕面積、滲透面積和原坩堝孔面積，然后計算坩堝的侵蝕和滲透面積百分率。

將燒后基質試樣研磨成粉末，采用X’Pert PRO型X射線衍射儀分析其物相組成。用EPMA－8050G型場發射電子探針顯微分析儀觀察燒后澆注料試樣基質部分的顯微結構。

2 結果與討論

2.1 燒后基質試樣的物相組成和顯微結構

燒后基質試樣RM和試樣CAC的XRD圖譜見圖1?？梢钥闯觯夯|試樣CAC中有MgAl2O4和CaO·2Al2O3（CA2），基質試樣RM中只有MgAl2O4。

燒后澆注料試樣RM和試樣CAC基質部分的二次電子像見圖2?？梢钥闯觯簝蓚€試樣基質中都存在MgAl2O4（MA），并且MgAl2O4晶粒較小，晶粒間存在大量微米級氣孔；試樣CAC基質中還存在CA2，并且CA2晶粒比MgAl2O4晶粒大，晶粒間的結合也比較緊密。

圖2 1 600℃燒后澆注料試樣基質部分的二次電子像

2.2 澆注料試樣的性能

經檢測，澆注料試樣CAC和試樣RM在1 600℃保溫3 h燒后的加熱永久線變化分別為1.31%和0.72%。在熱處理過程中，試樣CAC 中生成的MgAl2O4和CA2均會發生體積膨脹（膨脹率分別為8%和13.6%），而試樣RM 中只生成MgAl2O4。因此，試樣RM的加熱永久線變化比試樣CAC的小，體積穩定性比試樣CAC的好。

燒后澆注料試樣CAC和試樣RM的顯氣孔率、體積密度、常溫耐壓強度和常溫抗折強度見圖3?？梢钥闯?，試樣RM的顯氣孔率略高于試樣CAC的，但常溫耐壓強度和常溫抗折強度顯著低于試樣CAC的。

圖3 1 600℃燒后澆注料試樣的致密度和常溫強度

抗渣試驗后澆注料坩堝的剖面照片及侵蝕指數和滲透指數見圖4?？梢钥闯觯涸嚇覴M的抗渣侵蝕性和抗渣滲透性均優于試樣CAC的。這是因為試樣CAC中的鋁酸鈣在高溫下容易溶入CaO－Al2O3－Fe2O3－SiO2渣中［15］。

圖4 抗渣試驗后坩堝的剖面照片及侵蝕指數和滲透指數

3 結論

經1 600℃熱處理后，與鋁酸鈣水泥結合的剛玉－尖晶石澆注料相比，活性MgO結合的剛玉－尖晶石澆注料的常溫抗折強度和常溫耐壓強度較低，但體積穩定性、對CaO－Al2O3－Fe2O3－SiO2渣的抗侵蝕性和抗滲透性顯著提高。