SiO2 微粉加入量對無水副槍用剛玉-莫來石澆注料性能的影響

蔡 瑋，梁永和，陳金鳳，叢培源

（1.中冶武漢冶金建筑研究院有限公司，湖北 武漢430081；2.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）

目前轉爐煉鋼是我國的主要煉鋼方法。 通過轉爐副槍系統可以縮短冶煉周期、 提高冶煉終點命中率以及降低煉鋼成本[1]。當前轉爐副槍系統所使用的副槍槍體通過循環水進行冷卻， 來保障槍體內部電纜處于正常工作溫度范圍。 但副槍循環水設備占地面積大、能耗大，且裝卸探頭時發生漏水或滲水會導致重大事故。因此，使用無水副槍槍體來替代目前水冷副槍槍體具有重要意義。 無水副槍槍體材料需要具有良好的抗熱振性能，而剛玉-莫來石澆注料的高溫強度高、高溫蠕變率小且抗熱振性好，被廣泛用作高爐熱風爐、玻璃熔窯等工業窯爐的內襯材料[2]。 為了提高剛玉-莫來石澆注料的抗熱振性，唐威等[3]研究了紅柱石顆粒預燒溫度對莫來石-剛玉材料的影響，發現隨著預燒溫度的提高，試樣的抗折強度逐漸增大，但抗熱振性能逐漸降低；王月月等[4]發現將藍晶石加入莫來石-剛玉材料后能提高材料抗熱振性能，但藍晶石加入過多會降低材料抗熱振性能；柴軍福等[5]將莫來石纖維加入剛玉質澆注料中，隨著莫來石纖維量增加，試樣抗熱振性能顯著提升。

SiO2微粉具有活性高、球形結構、微米粒徑等特點， 對不定形耐火材料的施工性能及各項使用指標影響顯著[6]，如董萌蕾等[7]在Si3N4結合剛玉材料中加入SiO2微粉，發現添加后材料的抗熱振性能顯著提高。 以此借鑒，本文研究了SiO2微粉加入量對剛玉-莫來石澆注料性能的影響。

1 試驗

1.1 原料

試驗所用原料為： 粒度5～3 mm、3～1 mm、≤1 mm、0.076 mm 的板狀剛玉，≤1 mm、0.076 mm 的燒結莫來石，≤0.044 mm 的α-Al2O3微粉，≤0.044 mm的SiO2微粉，≤45 μm 的CA80 水泥。其主要原料的化學組成見表1。

表1 原料的化學組成 （%）

1.2 試樣制備及性能檢測

按表2 試驗配比稱重后置于攪拌機中攪拌2～3 min，然后加入5.5%的水后繼續攪拌3～5 min，制成25 mm×25 mm×125 mm 的條形試樣，自然養護24 h后脫模，再置于烘箱中在110 ℃干燥24 h。將試樣分別經1 100 ℃、1 400 ℃、1 550 ℃保溫3 h 熱處理后自然冷卻到室溫。

表2 試驗配比 （%）

對烘干以及經1 100 ℃、1 400 ℃、1 550 ℃熱處理后的試樣，按GB/T 2997-2000 測試體積密度和顯氣孔率， 按GB/T 5988-2004 測試燒后線變化率，按GB/T 3001-2007 測試常溫抗折強度，按GB/T 5072-2008 測試常溫耐壓強度。 抗熱振性按GB/T 30873-2014 測試1 550 ℃保溫3 h 熱處理后試樣經1 100℃水冷3 次后殘余抗折強度和抗折強度保持率。 用X 射線衍射儀分析1 550 ℃處理后試樣的物相組成， 用PHILIPS XL 30 TMP 型掃描電子顯微鏡結合能譜分析觀察1 550 ℃處理后試樣的顯微結構。

2 結果與討論

2.1 物相組成

圖1 為不同SiO2微粉加入量的試樣經1 550 ℃保溫3 h 熱處理后XRD 圖譜。 可以看出，隨著SiO2微粉加入量的增加，試樣中莫來石的衍射峰增強，說明試樣中的莫來石含量增加。 其原因是SiO2微粉加入試樣后， 在空隙處可以和試樣中的活性α-Al2O3微粉或板狀剛玉細粉原位反應生成莫來石[8]。且隨著試樣中SiO2微粉加入量的增加，反應生成的莫來石的量也越多，說明試樣中引入SiO2微粉能促進莫來石的生成與晶體長大。

2.2 常溫物理性能

圖2 為試樣的燒后線變化率、體積密度、顯氣孔率、常溫抗折強度和耐壓強度。可以看出：（1）隨著試樣中SiO2微粉加入量的增加， 經1 400 ℃、1 550 ℃熱處理后試樣的線變化率表現為先膨脹后收縮。 這是因為SiO2微粉加入量在0～2%時， 試樣中SiO2微粉反應生成莫來石， 產生的體積膨脹作用大于由于加入SiO2微粉生成液相產生的體積收縮作用；當SiO2微粉加入量在2%～4%時， 試樣中SiO2微粉生成液相，產生的體積收縮作用大于莫來石生成的體積膨脹作用；在1 100 ℃時加入SiO2微粉生成莫來石，產生膨脹作用小，所以體積不斷收縮；體積密度基本先增加后降低， 顯氣孔率基本先降低后增加。（2）在SiO2微粉加入量相同時，隨熱處理溫度升高，線變化率絕對值增加，體積密度和常溫抗折強度增加。 這是因為SiO2微粉降低了試樣的加水量，使得試樣結構更加致密， 使得試樣的體積密度增大、顯氣孔率降低；由于SiO2微粉本身體積密度較低，SiO2微粉加入量過多會導致體積密度的降低； 隨著SiO2微粉加入量增加，SiO2微粉反應生成莫來石的量增加，內部產生的體積膨脹增大，導致體積密度降低，顯氣孔率有所增大。 （3）常溫耐壓強度和抗折強度增加。 這是因為SiO2微粉水化后，表面會形成類似硅膠結構的Si-OH 鍵，110 ℃保溫24 h 后大量的Si-OH 鍵脫水聚合成Si-O-Si 鍵， 形成網絡狀的結構，提高了試樣的強度；在經過1 100 ℃保溫3 h 和1 400 ℃保溫3 h 熱處理后試樣常溫抗折強度和常溫耐壓強度基本呈增加趨勢，這是由于SiO2微粉加入試樣中，反應生成莫來石交錯在試樣中，提高了試樣的強度；在經過1 550 ℃保溫3 h 熱處理后，試樣常溫抗折強度和常溫耐壓強度呈先增加后降低，在SiO2微粉加入量超過2%時體積密度降低、 顯氣孔率增加，導致試樣的常溫抗折強度和常溫耐壓強度有所降低。

圖1 試樣經1 550 ℃保溫3 h 熱處理后的XRD 圖譜

圖2 SiO2 微粉加入量對試樣物理性能的影響關系圖

2.3 顯微結構

圖3 是經1 550 ℃保溫3 h 熱處理后試樣斷口的SEM 照片。可以看出：隨著SiO2微粉的加入，試樣中有柱狀物質生成；根據能譜結果顯示，該柱狀物質中鋁硅比為60.07%∶18.83%，與莫來石的鋁硅比相近，且含有O 元素。 結合前面分析可確定，隨著SiO2微粉的加入，促進了試樣中莫來石的生成。

2.4 抗熱振性

圖4 是硅微粉加入量對1 550 ℃保溫3 h 的試樣經1 100 ℃水冷3 次后殘余抗折強度和抗折強度保持率的影響關系圖。 可以看出： 隨著試樣中SiO2微粉加入量的增加，殘余強度保持率先增加后降低，抗熱振性能先增強后減弱。 這是因為隨著SiO2微粉加入量的增加，試樣內生成莫來石，產生體積膨脹，內部形成微裂紋， 提高了試樣的抗熱振性能。 隨著SiO2微粉加入量的繼續增加， 產生的膨脹過多導致試樣強度下降，抗熱振性能降低。

圖3 經1 550 ℃保溫3 h 熱處理后試樣的SEM 照片

圖4 SiO2 微粉加入量對試樣抗熱振性能的影響關系圖

3 結論

（1）SiO2微粉添加到剛玉-莫來石澆注料中，隨著SiO2微粉加入量的增加，試樣線變化由膨脹逐漸變為收縮，顯氣孔率、常溫抗折強度和常溫耐壓強度略有增加，體積密度先增加后降低。

（2）試樣中加入SiO2微粉后，與Al2O3反應生成莫來石，在試樣內部產生一定的微裂紋，使得試樣的抗熱振性能有所增加，且在硅微粉加入量為1%時試樣抗熱振性能最佳，殘余抗折強度保持率為47%。