SiO2 超微粉等外加劑對(duì)剛玉質(zhì)可塑料性能的影響

王京京，朱厚亮，王 成

（濮陽濮耐高溫材料（集團(tuán)）股份有限公司，河南 濮陽457100）

目前，礦熱爐冶煉的爐渣比例高達(dá)80%以上，為了提高金屬回收率，冶煉溫度由1 470～1 500 ℃提升到1 500～1 550 ℃，出渣次數(shù)增多、出鐵次數(shù)減少。本文所開發(fā)的剛玉質(zhì)可塑料是以磷酸鹽為結(jié)合劑的塑性耐火材料，使用溫度在1 500 ℃以上，主要用于礦熱爐出鐵口的修補(bǔ)與鑄造工藝用澆包內(nèi)襯的熱修與冷修，可塑性較好，施工方便，不僅維修成本較低，且維修快速便捷，使用性能較好。

本工作的目的是試驗(yàn)SiO2超微粉、藍(lán)晶石及不同的磷酸鹽結(jié)合劑對(duì)剛玉質(zhì)可塑料常溫及高溫性能的影響，開發(fā)出保存期長(zhǎng)、施工性能良好、使用性能優(yōu)越的剛玉質(zhì)可塑料。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

試驗(yàn)用原料有高鋁礬土、剛玉、SiO2超微粉和藍(lán)晶石（80 目），原料的理化性能如表1 所示。

1.2 試驗(yàn)方法

按照表2 的配方稱料， 將物料分為1#～5#五組。先將骨料加入到輪碾機(jī)中攪拌2 min，加入結(jié)合劑總量的30%預(yù)混3 min，再加入粉料攪拌5 min，最后加入剩余的結(jié)合劑混合均勻， 待達(dá)到要求的可塑性指數(shù)（75%～80%）后取出，密封保存24 h，然后搗打成標(biāo)準(zhǔn)試樣（160 mm ×40 mm× 40 mm）與坩堝試樣Φ100 mm×100 mm～Φ45 mm×65 mm。

表1 原料的理化性能

表2 試樣的配料組成 （wt%）

采用YB/T 5200-93《致密耐火澆注料顯氣孔率和體積密度試驗(yàn)方法》、YB/T 5117-93《黏土質(zhì)和高鋁質(zhì)耐火可塑料線變化率試驗(yàn)方法》、YB/T 5118-93《黏土質(zhì)和高鋁質(zhì)耐火可塑料強(qiáng)度試驗(yàn)方法》檢測(cè)燒成后試樣的體積密度、線變化率、常溫抗折強(qiáng)度、常溫耐壓強(qiáng)度以及1 500 ℃的高溫抗折強(qiáng)度， 采用靜態(tài)坩堝實(shí)驗(yàn)法測(cè)試試樣的抗渣侵蝕性能。

保質(zhì)期試驗(yàn)：將剛玉質(zhì)可塑料密封保存，每隔7 d 測(cè)試可塑性指數(shù)， 直至可塑料的可塑性指數(shù)小于15%為止，記錄保存時(shí)間。

2 結(jié)果與討論

2.1 SiO2 超微粉、結(jié)合劑、藍(lán)晶石對(duì)剛玉質(zhì)可塑料保存期的影響

隨著保存時(shí)間延長(zhǎng)，1#～5#剛玉質(zhì)可塑料可塑值的衰減如圖1 所示：添加磷酸鹽結(jié)合劑A（1#）的試樣保存期最短（只有9 周）；將結(jié)合劑由磷酸鹽A 換成磷酸鹽B（4#），試樣保存期由9 周延長(zhǎng)至21 周；試樣保存時(shí)間隨SiO2超微粉加入量的增加而延長(zhǎng)，添加3%的SiO2超微粉，試樣的保存期＞24 周。

圖1 剛玉質(zhì)可塑料的可塑性指數(shù)隨時(shí)間的變化圖

2.2 SiO2 超微粉、結(jié)合劑、藍(lán)晶石對(duì)剛玉質(zhì)可塑料體積密度的影響

由圖2 可知：試樣經(jīng)1 000 ℃燒后，材料內(nèi)部的結(jié)合水被排出， 體積密度略有降低， 經(jīng)1 500 ℃燒后，材料內(nèi)部產(chǎn)生燒結(jié)，試樣的體積密度變大。 在材料內(nèi)添加1%～3%的SiO2超微粉，試樣的體積密度隨著SiO2超微粉加入量的增加而降低；兩種磷酸鹽結(jié)合劑A、B 對(duì)試樣燒后的體積密度影響不明顯。

2.3 SiO2 超微粉、結(jié)合劑、藍(lán)晶石對(duì)剛玉質(zhì)可塑料線變化率的影響

由圖3 可知，添加SiO2超微粉、磷酸鹽A、磷酸鹽B， 對(duì)試樣經(jīng)110 ℃、1 000 ℃、1 500 ℃熱處理后的線變化率影響不大， 在材料內(nèi)添加7%的藍(lán)晶石，試樣1 500 ℃熱處理后的線收縮明顯小于未添加的試樣。 藍(lán)晶石在加熱至1 300～1 350 ℃時(shí)不可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)槟獊硎蚐iO2[1]：

圖2 試樣烘干及燒后體積密度圖

3Al2O3·SiO2（藍(lán)晶石族礦物）→3Al2O3·2SiO2（莫來石）+SiO2

圖3 不同結(jié)合劑結(jié)合的試樣烘干及燒后線變化率圖

在藍(lán)晶石莫來石化的過程中伴隨16%～18%的體積膨脹，因此，在材料內(nèi)添加藍(lán)晶石會(huì)降低材料的線收縮率。

2.4 SiO2 超微粉、結(jié)合劑、藍(lán)晶石對(duì)剛玉質(zhì)可塑料常溫物理強(qiáng)度的影響

圖4 為試樣經(jīng)不同溫度熱處理后的常溫耐壓強(qiáng)度，由圖可知，與1#試樣相比，在材料內(nèi)添加SiO2超微粉的2#、3#試樣經(jīng)110 ℃、1 000 ℃、1 500 ℃熱處理后的耐壓強(qiáng)度隨著SiO2超微粉加入量的增加而降低。 將結(jié)合劑由磷酸鹽A 替換成磷酸鹽B，試樣1 000 ℃熱處理后的常溫耐壓強(qiáng)度提高，1 500 ℃熱處理后的常溫耐壓強(qiáng)度略有降低。 在試樣中添加7%的藍(lán)晶石，1 500 ℃熱處理后的常溫耐壓強(qiáng)度有所降低。

2.5 SiO2 超微粉、結(jié)合劑、藍(lán)晶石對(duì)剛玉質(zhì)可塑料高溫抗折強(qiáng)度的影響

圖5 為試樣1 500 ℃的高溫抗折強(qiáng)度， 由圖可知， 試樣1 500 ℃的高溫抗折強(qiáng)度隨著SiO2超微粉加入量的增加而降低，將結(jié)合劑由磷酸鹽A 更換為磷酸鹽B， 材料1 500 ℃的高溫抗折強(qiáng)度變化不大；添加7%的藍(lán)晶石，試樣的高溫抗折強(qiáng)度由3.5 MPa降至2.7 MPa。

圖4 試樣經(jīng)不同溫度熱處理后的常溫耐壓強(qiáng)度圖

圖5 試樣1 500 ℃高溫抗折強(qiáng)度圖

圖6 為1#～5#試樣經(jīng)1 500 ℃×3 h 熱處理后試樣內(nèi)部的顯微結(jié)構(gòu)照片，由圖可知：添加磷酸鹽A 的1#試樣與添加磷酸鹽B 的4#試樣，內(nèi)部存在的氣孔較少； 添加SiO2超微粉的2#、3#試樣內(nèi)部的氣孔隨著SiO2超微粉加入量的增加而增加， 這應(yīng)該是因?yàn)椋?結(jié)合劑加入量隨SiO2超微粉含量的增加而增加，高溫下結(jié)合劑蒸發(fā)后會(huì)留下大量的氣孔，導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)變得疏松；5#試樣中的微裂紋相比于1#和4#略有增加， 這主要是藍(lán)晶石在高溫下發(fā)生分解膨脹所致。 在試樣中添加SiO2超微粉與藍(lán)晶石，試樣1 500 ℃的高溫抗折強(qiáng)度與燒后常溫耐壓強(qiáng)度均有所降低。

圖6 試樣經(jīng)1 500 ℃燒后的SEM 照片

2.6 SiO2 超微粉、結(jié)合劑、藍(lán)晶石對(duì)剛玉質(zhì)可塑料抗礦熱爐爐渣侵蝕性能的影響

選取1#、3#、4#、5#試樣 經(jīng)1 500 ℃×3 h 熱處理后， 采用靜態(tài)干鍋實(shí)驗(yàn)法對(duì)比試樣1 500 ℃×3 h 的抗渣侵蝕性，試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。 由圖可知：使用不同的結(jié)合劑或在材料中添加一定的SiO2超微粉、藍(lán)晶石對(duì)其抗礦熱爐爐渣侵蝕性能影響不大。

圖8 為抗渣試驗(yàn)后3#坩堝過渡層的顯微照片。由圖8（a）可知：1 500 ℃時(shí)，在試樣與礦熱爐爐渣的接觸面形成一層致密的尖晶石帶（圖中標(biāo)注為B），有利于阻止熔渣（圖中標(biāo)注為A）向試樣內(nèi)部滲透。 針對(duì)圖8（a）進(jìn)行Al、Si、Mg 三種元素的面掃描，掃描結(jié)果分別如圖8（b）、（c）、（d）所示，結(jié)果顯示：Al 元素呈分布均勻狀態(tài)，Si 元素在尖晶石帶的左面分布較集中，在尖晶石帶的右面分布較少（試樣中添加的SiO2超微粉）， 而只有爐渣含有的Mg 元素則集中分布在尖晶石帶的左面，界限較清晰，在試樣內(nèi)部滲透較少。

圖7 試樣1 500 ℃抗渣侵蝕照片

圖8 3# 試樣過渡層的顯微結(jié)構(gòu)照片

3 結(jié)論

（1）將剛玉質(zhì)可塑料的結(jié)合劑由磷酸鹽A 換為磷酸鹽B，物料的保存時(shí)間可明顯延長(zhǎng)（由9 周提高至21 周），試樣1 500 ℃高溫抗折強(qiáng)度變化不明顯。

（2）在剛玉質(zhì)可塑料中添加1%～3%的SiO2超微粉，在保證相同的出鍋可塑值的情況下，結(jié)合劑加入量及保存時(shí)間隨著SiO2超微粉加入量的增加而增加，烘干及燒后的體積密度、耐壓強(qiáng)度、1 500 ℃高溫抗折強(qiáng)度均隨SiO2超微粉加入量的增加而降低。

（3）在剛玉質(zhì)可塑料中添加一定量的藍(lán)晶石，試樣的體積密度變化不大，1 500 ℃燒后的線收縮率減小，烘干及1 000 ℃燒后耐壓強(qiáng)度略有增加，但1 500℃燒后的常溫耐壓強(qiáng)度及高溫抗折強(qiáng)度略有降低。

（4）改變磷酸鹽結(jié)合劑品種（A 和B）、添加SiO2超微粉或藍(lán)晶石對(duì)剛玉質(zhì)可塑料抗礦熱爐爐渣的侵蝕性能影響不大。