不同剛玉骨料對剛玉尖晶石磚抗渣性能的影響

翟紅軍，高配亮，秦建濤

（山東耐材集團魯耐窯業有限公司，山東 淄博255200）

1 前 言

20世紀90年代以來，隨著低碳鋼、超低碳鋼冶煉技術的不斷發展，無碳鋼包襯材料研制一直受到耐火材料從業者廣泛關注［1］。剛玉尖晶石類耐火材料因其具有較好的抗熱震穩定性能、較強的耐侵蝕性能和耐磨性能等優點，被應用于無碳鋼包襯［2-4］。剛玉尖晶石類耐火材料主要包括剛玉尖晶石澆注料、剛玉尖晶石預制塊和剛玉尖晶石磚。較剛玉尖晶石澆注料、剛玉尖晶石預制塊相比，剛玉尖晶石磚還具有施工性能好、體積穩定性好、致密度高、不引入SiO2、烘爐不會發生裂紋變形、在高溫下不會出現液相等優點，因此剛玉尖晶石磚較前兩者在無碳鋼包襯中使用更為廣泛［5］。

針對剛玉尖晶石磚的研究成果較多，但未見不同剛玉骨料加入對剛玉尖晶石磚抗渣性能的影響的相關研究。筆者通過試驗引入白剛玉、板狀剛玉、棕剛玉作為骨料加入制成剛玉尖晶石磚，并利用坩堝靜態抗渣法研究分析了加入不同剛玉骨料的剛玉尖晶石磚抵抗LF爐渣侵蝕性能。

2 試 驗

據李楠［7-8］等研究結果表明，尖晶石加量在10%～30%時，剛玉尖晶石材料抗滲透性能最佳，但尖晶石添加量＞30%和＜10%的材料會因渣黏度下降而導致抗滲透性下降。本試驗在鎂鋁尖晶石添加量在25%的情況下開展，固定粒度1 mm以下原料的類型與含量，分別以白剛玉、板狀剛玉、棕剛玉為粒度1 mm以上骨料引入形式，以硫酸鋁溶液和糊精溶液為結合劑，研究骨料的最佳組合方案。具體編號與試驗方案見表1。抗渣侵蝕試驗用LF爐爐渣具體化學成分如表2所示。

表1 試驗編號與骨料加入形式對應

表2 LF爐渣主要化學成分 %

原料按照一定的顆粒機配于混煉機混煉得到具有一定塑性的泥料，混煉后泥料通過機壓成型控制相同的體積密度制得標準磚半成品（試樣尺寸230 mm×114 mm×65 mm），半成品經過110℃×24 h干燥后于隧道窯1 530℃×8 h高溫燒成得到4組剛玉尖晶石磚。

對4組試樣進行抗LF爐爐渣試驗，將試樣制成80 mm×80 mm×65 mm內孔Φ40 mm×35 mm的坩堝試樣，在每個坩堝中放入50 g LF爐爐渣，再同時于1 600℃下保溫4 h，將保溫處理后坩堝沿中心線剖開，對試樣的抗LF爐爐渣侵蝕性能進行分析。

3 結果與討論

3.1 不同骨料對剛玉尖晶石磚抗渣侵蝕性能影響

通過匯總試驗數據繪制圖表，得到不同骨料加入的剛玉尖晶石磚抗渣侵蝕深度與剖面形貌圖片如圖1和圖2所示。

圖1 不同骨料加入制品的侵蝕深度

從圖2可以看出，3#與4#試樣均發生裂紋穿渣現象，而未添加棕剛玉的1#與2#試樣未發生穿渣，分析其原因為：隨著處理溫度的升高與侵蝕時間的延長，棕剛玉晶界處的雜質向顆粒邊緣遷移，使顆粒潰散，導致抗侵蝕試樣開裂較為嚴重；說明雜質含量對其抗侵蝕性能的影響，這是由于原料中的Fe2O3、TiO2等雜質加劇了剛玉相、尖晶石相與渣中CaO、SiO2反應生成低熔點相，致使材料加速熔損；同時1#抗渣性能優于2#，說明板狀剛玉由于氣孔率較高，抗侵蝕能力稍有下降。綜合分析考慮到骨料的復合使用可以提高剛玉尖晶石磚的抗熱震穩定性能，使用板狀剛玉和白剛玉作為粗顆粒的1#試樣能夠更好的滿足鋼包使用條件。

圖2 1#～4#試樣抗LF爐渣后剖面外觀形貌

3.2 剛玉尖晶石磚抗渣侵蝕機理探究

對抗渣侵蝕性能較好的1#試樣的抗渣后坩堝侵蝕界面層和抗渣試驗前后的鋼渣進行衍射分析，所得XRD衍射圖譜如圖3和圖4所示。

圖3 抗渣前后鋼渣的XRD圖譜

圖4 抗渣后坩堝界面層的XRD圖譜

由圖3可知，對抗侵蝕試驗前渣XRD衍射圖譜進行分析可知，渣中主要礦物相為：C3S、CA、CaO、MgO。并通過半定量分析發現渣中CA與C3S的含量最高，因而可知渣的黏度較高，流動性較差，故其對材料的滲透能力較弱，這很好地解釋了侵蝕后坩堝斷面未見滲透層的原因。通過抗侵蝕試驗后渣的XRD圖譜進行分析可知，渣中主要礦物相變為：鎂鋁尖晶石、鋁酸鈣、硅鋁酸鈣。抗侵蝕試驗后的渣中CA和MA礦物相的相對含量較高，主要是因為材料中的Al2O3融入到渣中與MgO、CaO、CA發生反應所形成的，另外材料受侵蝕部位中的MA也融入到渣中，使得渣中也含有了一定量的MA。

通過圖4對受鋼渣侵蝕后材料與渣的界面層的XRD進行分析，發現界面層中主要礦物相為氧化鋁、六鋁酸鈣、鎂鋁尖晶石等。被渣侵蝕后的耐火材料中的尖晶石融入到渣液中致使剛玉相外露，部分剛玉相與渣中的C3A、CA、CaO發生反應與固溶，其中反應生成的CA6黏度大，附著在侵蝕層表面，對材料而言是一層抗侵蝕的保護層，從而阻止了渣對耐火材料的進一步滲透與侵蝕。剛玉尖晶石材料中尖晶石的抗侵蝕機理為富鋁尖晶石八面體中存在大量的陽離子空位，非常容易地吸收渣中Fe2+、Ti2+等陽離子，形成復雜尖晶石體，尖晶石中的MgO與渣中FeOx反應生成的MgO-FeOx固溶體，尖晶石固溶渣中FeOx、TiO2形成的（Mg，Ti，Fe）（Fe，Al2O4）復合尖晶石，使渣中Fe、Ti氧化物的含量降低，SiO2含量增大，渣的黏度增大，提高了耐火材料的抗渣侵蝕性能和抗渣滲透性能。

4 結論

4.1 剛玉骨料的復合使用可以提高剛玉尖晶石磚的綜合性能，使用6～3 mm的板狀剛玉和3～1 mm的白剛玉作為粗引入，具有更優的高溫性能和抗LF爐渣侵蝕能力。

4.2 尖晶石與LF爐渣接觸面易于形成固溶的保護層，從而進一步減緩渣液向剛玉尖晶石磚本體內的滲透與侵蝕。