富鋁尖晶石微粉加入量對剛玉—尖晶石澆注料性能的影響

任建秀，張成強，李宗寶，張春雨，王錦濤

（山東耐火材料集團有限公司 王鋁分公司，山東 淄博255311）

1 前 言

隨著鋼包冶煉工藝技術的提高，對鋼包用耐火材料的要求日益嚴苛，低耗高效的鋼包用耐火材料技術需求增大。鋼包用剛玉—尖晶石澆注料是一種高壽命節能降耗新產品，結構設計合理，具有良好的熱震穩定性、抗沖刷性、耐侵蝕性和抗滲透性，不易結構剝落，操作安全可靠，使用壽命長，成為大型鋼包用耐火材料的主流。為了提高鋼包用剛玉—尖晶石澆注料的使用性能，在剛玉—尖晶石澆注料中引入富鋁尖晶石微粉，研究其對大型鋼包長壽命剛玉—尖晶石澆注料性能的影響。

2 試 驗

2.1 原料選擇

本試驗所用的主要原料及其化學組成見表1。

表1 主要原料的化學組成（質量分數） %

2.2 試驗方案

按照表2，根據骨料與基質70∶30 的質量比進行配料，固定配比中電熔白剛玉、板狀剛玉骨料、α-Al2O3微粉、純鋁酸鈣水泥總量不變，以富鋁尖晶石微粉等量替代電熔白剛玉和燒結剛玉細粉，分別加入0%、6%、8%、12%、16%，測定剛玉—尖晶石澆注料的各項性能。配方代碼分別記為MA1、MA2、MA3、MA4、MA5。試樣配比組成見表2。

表2 試樣配比組成 %

2.3 試驗過程和性能檢測

將按配方配料的各原料混勻、攪拌后，按照GB/T 4513.4 標準要求測定澆注料的流動值和加水量，施工性能見表3。經振動澆注成型為160 mm×40 mm×40 mm 的試樣，并按照GB/T 4513.5 的有關標準進行養護。檢測脫模抗折強度；檢測110 ℃×24 h處理后氣孔率、體積密度、抗折強度、耐壓強度；檢測1 500 ℃×3 h 處理后氣孔率、體積密度、抗折強度、耐壓強度、燒后線變化率；檢測1 000 ℃×5 次水冷熱震殘余抗折強度，試驗結果見表4。

表3 施工性能

表4 試驗結果

3 結果與分析

3.1 常溫物理性能

由表3可知，隨著富鋁尖晶石微粉加入量的增加，試樣的加水量逐漸減少，每增加4%的富鋁尖晶石微粉，就減少約0.2%的水。由于富鋁尖晶石微粉能夠更好地填充大、中、小顆粒間的間隙，排擠出氣孔中的水；微粉含量的增加，在良好分散條件下會明顯提高澆注料的致密化程度，從而降低其加水量。每增加4%的富鋁尖晶石微粉，流動值逐漸增加，MA1＜MA2＜MA3＜MA4＜MA5，MA4 和 MA5試樣有自流效果。

3.2 對體密、氣孔率的影響

從圖1中可以看出，不同富鋁尖晶石微粉加入量，對試樣體積密度和顯氣孔率性能有不同影響。在試樣中引入富鋁尖晶石微粉，110 ℃×24 h 烘后試樣的體積密度逐漸增大，顯氣孔率逐漸減小，因為常溫下隨著富鋁尖晶石微粉加入量的增加，顆粒與基質間的大量空隙被微粉填充，形成緊密堆積，降低了試樣的氣孔率，提高了體積密度［1］。富鋁尖晶石微粉加入量在12%時，1 500 ℃×3 h燒后試樣的體積密度最大，氣孔率最小，因為剛玉向尖晶石固溶及富鋁尖晶石微粉容易發生脫熔析出剛玉相，與其周圍水泥在尖晶石顆粒邊緣形成CA6，使尖晶石和CA6緊密結合，且尖晶石和剛玉相通過CA6連接，使顆粒之間更加緊密［2］。富鋁尖晶石微粉加入量在16%時，1 500 ℃×3 h燒后試樣體積密度減小和顯氣孔率增大，原因是隨著富鋁尖晶石微粉加入量的進一步增加，剛玉向尖晶石中大量固溶，使得顆粒之間存在大量微裂紋，體積密度降低，顯氣孔率增大［3］。

圖1 富鋁尖晶石微粉加入量對體積密度、顯氣孔率的影響

3.3 對強度的影響

不同富鋁尖晶石微粉加入量對試樣抗折強度和耐壓強度的影響見圖2。拆模后、110 ℃×24 h烘后均呈增大趨勢。拆模后和110 ℃×24 h烘后富鋁尖晶石微粉能夠減少澆注料的顯氣孔率，提高其體積密度，增加了結合強度［1］，這是對試樣強度提高的主要因素。富鋁尖晶石微粉加入量12%時1 500 ℃×3 h燒后試樣強度最大，原因是富鋁尖晶石微粉在燒結的過程中發生脫熔反應，能夠有效促進試樣的燒結，通過剛玉的聯接使基質中的尖晶石和CA6以尖晶石-剛玉-尖晶石、尖晶石-剛玉-CA6、CA6-剛玉-CA6等方式緊密結合［2］，試樣強度增大。富鋁尖晶石微粉加入量達到16%時，尖晶石和剛玉之間固溶量增加，試樣結構缺陷增多，導致強度降低［3］。

圖2 富鋁尖晶石微粉對強度的影響

3.4 對線變化率的影響

不同富鋁尖晶石微粉加入量對試樣線變化率的影響如圖3 所示。隨著富鋁尖晶石微粉加入量的增加，試樣線變化率呈減小趨勢，當加入量為12%時，線變化率最小，原因是尖晶石發生脫熔反應，伴隨的膨脹可部分抵消剛玉尖晶石澆注料的燒結收縮，提高其體積穩定率，有效促進試樣的燒結，使線變化率減小。隨著富鋁尖晶石微粉加入量的增加，剛玉和尖晶石之間的固溶量有所增加，導致結構缺陷較多，剛玉顆粒之間有微裂紋存在，而呈現膨脹趨勢［3］。

圖3 富鋁尖晶石微粉對線變化率的影響

3.5 對1 000 ℃×5次水冷熱震殘余抗折強度的影響

不同富鋁尖晶石微粉加入量對試樣1 000 ℃×5 次水冷熱震殘余抗折強度的影響如圖4 所示，MA4試樣富鋁尖晶石微粉加入量12%，熱震殘余抗折強度達到3.88 MPa，優于MA1、MA2、MA3和MA5試樣，能夠滿足剛玉—尖晶石澆注料在使用過程中對原質層熱震強度保持的要求。

圖4 富鋁尖晶石微粉對殘余抗折強度的影響

4 結 論

4.1 加入量12%時，施工性能最佳，隨著富鋁尖晶石微粉加入量的增加，加水量逐漸降低，有利于試樣的緊密堆積；良好的流動值，保障了施工性能；試樣經1 500 ℃×3 h燒后，強度、體積密度、顯氣孔率和線變化率等物理指標能夠很好地提高剛玉—尖晶石澆注料的高溫使用性能。

4.2 富鋁尖晶石微粉的引入，對剛玉—尖晶石澆注料各項物理指標提高明顯，在提高施工性能的同時，在高溫使用過程中物理性能也有優良表現。