鋁酸鈣水泥種類對Al2O3－SiC－C質鐵溝澆注料性能的影響

牛春林 任 林 張曉波

北京利爾高溫材料股份有限公司 北京 102211

隨著現代高爐大型化、長壽化，出鐵溝內高溫鐵水流速增加，出鐵時間延長，出鐵次數增多，鐵溝澆注料周期性地受到鐵水、熔渣的沖刷和侵蝕，使用環境非常惡劣。Al2O3－SiC－C質（ASC）鐵溝澆注料因具有良好的高溫耐磨性、抗沖刷性、抗渣滲透和侵蝕性、抗熱震性、抗氧化性等特點，被廣泛應用于高爐出鐵溝的工作層［1－4］。鋁酸鈣水泥（CAC）具有優良的流變性能和較高的早期強度，是澆注料中應用最廣泛的結合劑［5］，其對澆注料性能的影響倍受關注。李志剛等［6］發現隨著水泥加入量的增加，澆注料的流動性降低，抗熱震性能提高，抗渣性能先降低后提高。賈全利等［7］的研究表明，鋁酸鈣水泥的加入，改善了材料的抗熱震性能，同時對冷態及熱態強度也有一定的影響。田守信等［8］也研究了鋁酸鈣水泥對澆注料性能的影響，結果表明，隨著水泥加入量的增加，澆注料的加水量、干燥后的致密度和強度增加，燒后致密度和強度下降，燒后線變化率升高，抗渣滲透性增強，但抗渣侵蝕性能變差。之前的研究多集中于水泥含量對澆注料性能的影響，而水泥種類對其性能影響的研究較少。為此，研究了不同種類鋁酸鈣水泥對ASC澆注料性能的影響。

1 試驗

1．1 原料

本試驗中以棕剛玉（8～5、5～3、3～1和≤0．074 mm）為骨料和細粉，以w（SiC）≥97．0%的碳化硅（≤1和0．074 mm）、α-Al2O3微粉（≤0．045 mm）、SiO2微粉（≤0．074 mm）、球狀瀝青（≤1 mm）為細粉，以Al粉和Si粉的混合物為抗氧化劑，以不同種類的鋁酸鈣水泥（CA50、CA70、Vical71、Vical21）為結合劑，以有機纖維為防爆劑，以六偏磷酸鈉為減水劑。主要原料的化學組成見表1。由表1可知，水泥CA50、CA70、Vical71、Vical21中Al2O3和SiO2的總含量逐漸增加，CaO及其他雜質的含量逐漸減少。

表1 試驗用主要原料的化學組成Table 1 Chemical composition of main raw materials

1．2 試樣制備及檢測

試樣配比見表2。分別采用 CA50、CA70、Vical71、Vical21四種鋁酸鈣水泥為結合劑，對應試樣編號分別為1＃、2＃、3＃、4＃。按表2配好的物料先干混60 s，再加入4．2%（w）的水濕混120 s，攪拌均勻后，振動澆注為40 mm×40 mm×160 mm的長條狀試樣和外部尺寸為φ100 mm×95 mm、內孔尺寸為φ50 mm×60 mm的坩堝試樣。所有試樣經室溫養護24 h后脫模，再在110℃干燥24 h。部分長條狀試樣干燥后再經1 450℃保溫3 h熱處理。

表2 試樣配比Table 2 Experimental formulations

對110℃保溫24 h干燥及1 450℃保溫3 h熱處理后的試樣，按GB／T 2997—2015檢測顯氣孔率和體積密度，按GB／T 5072—2008檢測常溫耐壓強度，按GB／T 3001—2017檢測常溫抗折強度。按GB／T 3002—2017檢測干燥試樣在1 400℃保溫0．5 h的高溫抗折強度。按GB／T 8931—2007采用靜態坩堝法，將80 g高爐渣裝入干燥后的坩堝試樣中，經1 500℃保溫3 h熱處理后，將坩堝對稱切開，觀察其侵蝕情況，測量最大侵蝕厚度。高爐渣的主要化學組成（w）為：CaO 42．82%，SiO232．50%，Al2O312．50%，MgO 8．28%，Fe2O31．07%。

2 結果與討論

2．1 顯氣孔率和體積密度

不同種類水泥結合的試樣經110℃干燥及1 450℃熱處理后的顯氣孔率和體積密度見圖1。由圖可知，1＃試樣～4＃試樣干燥后的顯氣孔率逐漸減小；熱處理后的顯氣孔率先減小后增大，引入水泥Vical71的3＃試樣顯氣孔率最低。干燥后體積密度的變化沒有明顯的規律性，熱處理后試樣體積密度先增大后減少，但兩種條件下體積密度的變化幅度均較小。

圖1 不同種類水泥結合的試樣經干燥及熱處理后的顯氣孔率和體積密度Fig．1 Apparent porosity and bulk density of dried and heattreated specimens with different CAC

分析認為，干燥后試樣顯氣孔率的差異是由水泥水化造成的，CA 的初期水化物（亞穩態C2AH8、CAH10）會轉化為穩態C3AH6，此反應會增大顯氣孔率［9］。由表1可知，1＃試樣～4＃試樣所含水泥中CaO含量逐漸減少，CA含量減少，所以110℃烘干后顯氣孔率降低。1 450℃保溫3 h后，試樣的顯氣孔率主要受水泥水化物分解、材料燒結程度及莫來石生成量的影響。一方面，1＃試樣～4＃試樣所含水泥中CaO含量減少，水泥水化物含量逐漸減少，水化物分解導致的疏松程度逐漸減小，同時所含水泥中Al2O3和SiO2的總量逐漸增加，莫來石生成量逐漸增加；但另一方面，所含水泥中CaO及其他雜質的含量逐漸減少，高溫液相量減小，燒結程度降低，兩方面因素共同作用使得3＃試樣顯氣孔率最低。兩種條件下體積密度變化幅度較小可能與水泥的含量有關。

2．2 常溫強度

不同種類水泥結合的試樣干燥后及熱處理后的常溫強度見圖2。由圖可知，1＃試樣～4＃試樣干燥后的耐壓強度、抗折強度均先減小后增大，引入水泥CA70的2＃試樣強度最低。1 450℃熱處理后，1＃試樣的耐壓強度、抗折強度最低，2＃～4＃試樣常溫強度的變化幅度較小。

圖2 不同種類水泥結合的試樣經干燥和熱處理后的常溫強度Fig．2 Cold strengths of dried and heat-treated specimens with different CAC

110℃干燥后，試樣的強度主要與材料的致密度、水泥水化物生成量相關，致密度越高、水泥水化物生成量越大，材料強度越高。由圖1可知，110℃干燥后，1＃試樣～4＃試樣的致密度逐漸提高，但水泥水化物生成量逐漸減小，兩方面因素共同作用使得試樣的常溫強度先減小后增大。1 450℃熱處理后，試樣內部將發生一系列相變，常溫強度主要受強化相（莫來石）和燒結程度的影響，莫來石相含量越高、燒結程度越大，材料強度越高。1＃試樣～4＃試樣所含水泥中Al2O3、SiO2的總含量逐漸增加，因此熱處理后莫來石量逐漸增大，但CaO和其他雜質的含量逐漸減少，因此高溫液相量逐漸減小，試樣的燒結程度逐漸降低，由此可知，熱處理后常溫強度的變化是上述兩方面因素共同作用的結果。

2．3 高溫抗折強度

不同種類水泥結合試樣的高溫抗折強度如圖3所示。由圖可知，1＃試樣～4＃試樣的高溫抗折強度逐漸增大。分析認為，1＃試樣～4＃試樣所含水泥中Al2O3和SiO2的總含量逐漸增加，促進了莫來石相的生成，同時CaO及其他雜質的含量逐漸降低，減少了高溫液相量的生成，最終使得高溫抗折強度提高。

圖3 不同種類水泥結合試樣的高溫抗折強度Fig．3 Hot modulus of rupture of specimens with different CAC

2．4 抗渣性能

圖4是不同種類水泥結合的試樣經1 500℃保溫3 h抗渣試驗后的剖面圖。可知，1＃試樣～4＃試樣的渣最大侵蝕厚度分別為3．42、3．33、2．42、1．70 mm，侵蝕厚度及程度均逐漸減小，即試樣的抗渣性能逐漸增強。分析認為，試樣所含水泥中Al2O3含量逐漸增加，CaO及其他雜質的含量逐漸減少，高溫液相量減少，強度增加，最終使得抗渣性能增強。

圖4 不同種類水泥結合的試樣經1 500℃保溫3 h抗渣試驗后的剖面圖Fig．4 Section photos of specimens heat-treated at 1 500℃for 3 h with different CAC

3 工業試驗

在實驗室研究基礎上，按表2配方生產了鐵溝澆注料，在唐山某鋼鐵廠1 380 m3高爐上進行了工業試驗，結果表明：用水泥Vical21為結合劑的鐵溝澆注料一次性不修補通鐵量達18萬t，與含其他水泥的澆注料相比，通鐵量最高，使用效果最優。

4 結論

引入CA50、CA70、Vical71、Vical21四種鋁酸鈣水泥的1＃試樣～4＃試樣，隨所含水泥Al2O3和SiO2總含量的增加，CaO及其他雜質含量的減少，110℃干燥后的顯氣孔率降低，1 450℃熱處理后的顯氣孔率先減小后增大，兩條件下體積密度的變化幅度較小；干燥后的常溫強度先減小后增大，熱處理后的常溫強度、高溫抗折強度、抗渣性能均逐漸增大。綜合實驗室和工業試驗結果考慮，選用水泥Vical21為結合劑，使用效果最好。