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耐火材料行业知识

无碳刚玉-尖晶石不烧钢包砖的配方设计

主要原料和结合剂
不烧钢包砖在使用过程中,其热面缓慢烧结,在自身发生一系列化学反应的同时,还受到渣中组分的侵蚀,生成新的矿相,致使耐火砖的结构发生变化,而砖冷端的物相及结构几乎不变,这样在砖的冷热面之间就产生热应力和结构应力,从而产生裂纹。在钢包冷热交替以及钢包渣和钢水不断渗透、侵蚀的情况下,砖中裂纹不断扩展,随着渣的渗透、侵蚀以及钢水热冲击磨损的不断作用,最终造成砖的剥落,严重影响了钢包砖的寿命。而抑制剥落的主要措施是提高砖的抗热震性、抗渣渗透和侵蚀性。可考虑在无碳不烧砖的基质中预加一部分尖晶石(MA),使镁砂和活性氧化铝微粉以此尖晶石为晶核,在使用过程中发生尖晶石化反应,生成MA-MA结合相,从而使不烧砖在高温使用过程中能够均匀逐步烧结致密化、高强化,并产生类似于镁铝尖晶石烧成砖的显微结构,以达到抗渣蚀损和耐剥落的目的。
另外,为防止使用过程中包衬夹钢和钢包渣沿砖缝侵蚀,要求无碳钢包砖在高温下应具有一定的膨胀率,这可通过加入一定量的电熔镁砂与Al2O3反应生成镁铝尖晶石伴随的膨胀来实现。因此,研制的无碳钢包砖选择棕刚玉、电熔白刚玉、电熔镁砂等为主要原料,同时还在基质中引入以刚玉粉、电熔尖晶石和活性氧化铝微粉等共磨至一定细度的自制活性复合尖晶石微粉。
选用的结合剂有磷酸盐、SiO2微粉、轻烧MgO粉、卤水和亚硫酸纸浆废液。
试验方案
配方设计以Andreassen颗粒堆积理论为基础,采用棕刚玉、电熔白刚玉及电熔镁砂作骨料,其临界颗粒尺寸为5mm;细粉则以刚玉细粉、电熔镁砂粉及活性复合尖晶石微粉等为主。
试验设计的基础配方(w)是:≤5mm的棕刚玉50%,白刚玉颗粒(≤3mm)和细粉(≤0.044mm)共25%,电熔镁砂颗粒(≤2mm)和细粉(≤0.074mm)共4%,自制活性复合微粉20%,添加剂1%,结合剂4%。首先进行在基础配方条件下结合剂的选择试验,分别采用单独加入磷酸盐、轻烧MgO粉、亚硫酸纸浆废液以及复合加入SiO2微粉+卤水和SiO2微粉+亚硫酸纸浆废液的形式加入结合剂;然后在选定的结合剂和基础配方条件下进行镁砂加入量(质量分数分别为1%、2%、3%、4%、5%、6%)和复合尖晶石微粉加入量(质量分数分别为0、10%、15%、20%、25%)的选择试验。
试样制备和性能测试
按试验方案配料后进行混料。混料时先将颗粒料混合均匀后加入结合剂混练3~5min,再加入预混好的细粉继续混18min左右出料,采用630t摩擦压力机成型,成型试样自然干燥24h后,于200℃12h烘干,然后分别进行1000℃3h和1600℃3h热处理,并按相关标准检测不同条件热处理后试样的体积密度、显气孔率、烧后线变化率、耐压强度、抗折强度、抗热震性(以1100℃水冷热震3次后的残余抗折强度和强度保持率来表征)。
结合剂的确定
由于无碳不烧钢包砖没有进行高温烧成,只经过200℃12h热处理,而在其搬运、包装、运输和砌筑过程中,需保持一定的强度,为安全考虑,要求其常温耐压强度大于30MPa,因此选用合适的结合剂非常关键。表2示出了几种结合剂对无碳钢包砖性能的影响。从中可以看出,除了磷酸盐和亚硫酸纸浆废液结合的无碳钢包砖的强度不符合要求外,另外三种结合剂结合的试样都达到要求。但由于轻烧MgO粉贮存期短,活性不易控制,质量难以保证,而SiO2微粉+卤水做结合剂的试样各项指标明显优于SiO2微粉+亚硫酸纸浆废液做结合剂的,因此,最终决定采用SiO2微粉加卤水复合方式作为所研制无碳钢包砖的结合剂。
加入镁砂对无碳钢包砖烧后线变化率的影响
镁砂粒度越细,与Al2O3形成尖晶石的反应速度则越快,反之越慢。同时,增大镁砂的临界粒度,渣在材料中的渗透深度增大,蚀损量逐渐减少。因此,加入一定量的粗颗粒镁砂对避免大量、快速生成尖晶石,减少反应膨胀有利,从而有利于避免不烧钢包砖在高温使用中产生的龟裂和剥落。所以,为了避免无碳钢包砖在使用过程中剧烈膨胀和后期过烧结,镁砂采用颗粒和细粉配合的方式。
在活性复合尖晶石微粉加入量不变的情况下,加入不同量电熔镁砂的无碳钢包砖在1600℃3h烧后的线变化率。由图1可以看出,镁砂加入质量分数为3%时,无碳钢包砖中产生了轻微的膨胀,加入质量分数大于4%以后,烧后线膨胀增加明显。众所周知,对钢包砖而言,烧后线收缩过大,则砖缝太大,会产生钻钢现象;而烧后膨胀过大,则应力较大,易引起结构剥落。因此,本试验中适宜的镁砂加入质量分数应为4%。
加入活性复合尖晶石微粉对无碳钢包砖性能的影响
在基质中通过调整镁砂细粉和刚玉细粉加入量以保持MgO含量不变的情况下,活性复合尖晶石微粉加入量对试样抗热震性能的影响。随着活性复合尖晶石微粉加入量的增加,试样的抗热震性呈先改善后变差的趋势。与试样强度变化相似,在复合微粉加入质量分数≤20%时,可使试样的抗热震性能得以改善,但加入质量分数加入质量分数为25%时,试样的抗热震性能又明显变差;复合微粉加入质量分数为15%和20%时,试样的抗热震性较好。这是因为,在高温下基质中所生成的连续的尖晶石相充填于颗粒之间,在复合微粉加入量适量时,生成适量的尖晶石相,产生适量的微裂纹,可以有效地缓冲热应力,从而改善材料的抗热震性能;但复合微粉加入量过多时,高温下产生的原位尖晶石过多,伴随的体积膨胀也较大,造成基质结构疏松,使基质结合强度下降,导致材料的抗热震性能降低。因此,本试验中活性复合尖晶石微粉的适宜加入质量分数为20%。
研制的无碳钢包砖在1000℃处理后呈微膨胀,且强度较高,说明MgO在1000℃下就开始与Al2O3反应生成尖晶石,增大了基质结合强度,有利于抵抗热应力引起的热剥落;1600℃处理后,无碳砖的显气孔率降低,说明砖中形成了致密均匀的结构,这有利于提高其抗渣渗透性,减少结构剥落。


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