鋁酸鈣水泥種類(lèi)對(duì)Al2O3－SiC－C質(zhì)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(xiàn)代高爐大型化、長(zhǎng)壽化，出鐵溝內(nèi)高溫鐵水流速增加，出鐵時(shí)間延長(zhǎng)，出鐵次數(shù)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(huán)境非常惡劣。Al2O3－SiC－C質(zhì)（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(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高爐出鐵溝的工作層［1－4］。鋁酸鈣水泥（CAC）具有優(yōu)良的流變性能和較高的早期強(qiáng)度，是澆注料中應(yīng)用最廣泛的結(jié)合劑［5］，其對(duì)澆注料性能的影響倍受關(guān)注。李志剛等［6］發(fā)現(xiàn)隨著水泥加入量的增加，澆注料的流動(dòng)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(shí)對(duì)冷態(tài)及熱態(tài)強(qiáng)度也有一定的影響。田守信等［8］也研究了鋁酸鈣水泥對(duì)澆注料性能的影響，結(jié)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(qiáng)度增加，燒后致密度和強(qiáng)度下降，燒后線變化率升高，抗渣滲透性增強(qiáng)，但抗渣侵蝕性能變差。之前的研究多集中于水泥含量對(duì)澆注料性能的影響，而水泥種類(lèi)對(duì)其性能影響的研究較少。為此，研究了不同種類(lèi)鋁酸鈣水泥對(duì)ASC澆注料性能的影響。

1 試驗(yàn)

1．1 原料

本試驗(yàn)中以棕剛玉（8～5、5～3、3～1和≤0．074 mm）為骨料和細(xì)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(xì)粉，以Al粉和Si粉的混合物為抗氧化劑，以不同種類(lèi)的鋁酸鈣水泥（CA50、CA70、Vical71、Vical21）為結(jié)合劑，以有機(jī)纖維為防爆劑，以六偏磷酸鈉為減水劑。主要原料的化學(xué)組成見(jiàn)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(zhì)的含量逐漸減少。

表1 試驗(yàn)用主要原料的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of main raw materials

1．2 試樣制備及檢測(cè)

試樣配比見(jiàn)表2。分別采用 CA50、CA70、Vical71、Vical21四種鋁酸鈣水泥為結(jié)合劑，對(duì)應(yīng)試樣編號(hào)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(dòng)澆注為40 mm×40 mm×160 mm的長(zhǎng)條狀試樣和外部尺寸為φ100 mm×95 mm、內(nèi)孔尺寸為φ50 mm×60 mm的坩堝試樣。所有試樣經(jīng)室溫養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，再在110℃干燥24 h。部分長(zhǎng)條狀試樣干燥后再經(jīng)1 450℃保溫3 h熱處理。

表2 試樣配比Table 2 Experimental formulations

對(duì)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(cè)顯氣孔率和體積密度，按GB／T 5072—2008檢測(cè)常溫耐壓強(qiáng)度，按GB／T 3001—2017檢測(cè)常溫抗折強(qiáng)度。按GB／T 3002—2017檢測(cè)干燥試樣在1 400℃保溫0．5 h的高溫抗折強(qiáng)度。按GB／T 8931—2007采用靜態(tài)坩堝法，將80 g高爐渣裝入干燥后的坩堝試樣中，經(jīng)1 500℃保溫3 h熱處理后，將坩堝對(duì)稱(chēng)切開(kāi)，觀察其侵蝕情況，測(cè)量最大侵蝕厚度。高爐渣的主要化學(xué)組成（w）為：CaO 42．82%，SiO232．50%，Al2O312．50%，MgO 8．28%，F(xiàn)e2O31．07%。

2 結(jié)果與討論

2．1 顯氣孔率和體積密度

不同種類(lèi)水泥結(jié)合的試樣經(jīng)110℃干燥及1 450℃熱處理后的顯氣孔率和體積密度見(jiàn)圖1。由圖可知，1＃試樣～4＃試樣干燥后的顯氣孔率逐漸減??；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(méi)有明顯的規(guī)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(lèi)水泥結(jié)合的試樣經(jīng)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(rèn)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(wěn)態(tài)C2AH8、CAH10）會(huì)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)C3AH6，此反應(yīng)會(huì)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(jié)程度及莫來(lái)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(dǎo)致的疏松程度逐漸減小，同時(shí)所含水泥中Al2O3和SiO2的總量逐漸增加，莫來(lái)石生成量逐漸增加；但另一方面，所含水泥中CaO及其他雜質(zhì)的含量逐漸減少，高溫液相量減小，燒結(jié)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(guān)。

2．2 常溫強(qiáng)度

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

圖2 不同種類(lèi)水泥結(jié)合的試樣經(jīng)干燥和熱處理后的常溫強(qiáng)度Fig．2 Cold strengths of dried and heat-treated specimens with different CAC

110℃干燥后，試樣的強(qiáng)度主要與材料的致密度、水泥水化物生成量相關(guān)，致密度越高、水泥水化物生成量越大，材料強(qiáng)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(qiáng)度先減小后增大。1 450℃熱處理后，試樣內(nèi)部將發(fā)生一系列相變，常溫強(qiáng)度主要受強(qiáng)化相（莫來(lái)石）和燒結(jié)程度的影響，莫來(lái)石相含量越高、燒結(jié)程度越大，材料強(qiáng)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(lái)石量逐漸增大，但CaO和其他雜質(zhì)的含量逐漸減少，因此高溫液相量逐漸減小，試樣的燒結(jié)程度逐漸降低，由此可知，熱處理后常溫強(qiáng)度的變化是上述兩方面因素共同作用的結(jié)果。

2．3 高溫抗折強(qiáng)度

不同種類(lèi)水泥結(jié)合試樣的高溫抗折強(qiáng)度如圖3所示。由圖可知，1＃試樣～4＃試樣的高溫抗折強(qiáng)度逐漸增大。分析認(rèn)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(jìn)了莫來(lái)石相的生成，同時(shí)CaO及其他雜質(zhì)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(qiáng)度提高。

圖3 不同種類(lèi)水泥結(jié)合試樣的高溫抗折強(qiáng)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(lèi)水泥結(jié)合的試樣經(jīng)1 500℃保溫3 h抗渣試驗(yàn)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(qiáng)。分析認(rèn)為，試樣所含水泥中Al2O3含量逐漸增加，CaO及其他雜質(zhì)的含量逐漸減少，高溫液相量減少，強(qiáng)度增加，最終使得抗渣性能增強(qiáng)。

圖4 不同種類(lèi)水泥結(jié)合的試樣經(jīng)1 500℃保溫3 h抗渣試驗(yàn)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(yè)試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室研究基礎(chǔ)上，按表2配方生產(chǎn)了鐵溝澆注料，在唐山某鋼鐵廠1 380 m3高爐上進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，結(jié)果表明：用水泥Vical21為結(jié)合劑的鐵溝澆注料一次性不修補(bǔ)通鐵量達(dá)18萬(wàn)t，與含其他水泥的澆注料相比，通鐵量最高，使用效果最優(yōu)。

4 結(jié)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(zhì)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??；干燥后的常溫強(qiáng)度先減小后增大，熱處理后的常溫強(qiáng)度、高溫抗折強(qiáng)度、抗渣性能均逐漸增大。綜合實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果考慮，選用水泥Vical21為結(jié)合劑，使用效果最好。