鋁鎂質(zhì)澆注料微粉技術(shù)的研究及應(yīng)用

劉 泉 崔任渠 張小紅 胡正陽

（瑞泰馬鋼新材料科技有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

0 前言

微粉結(jié)合鋼包用鋁鎂質(zhì)整體澆注料施工性能良好、穩(wěn)定，和水泥結(jié)合鋼包用鋁鎂質(zhì)整體澆注料相比，施工時受季節(jié)、環(huán)境溫度等條件的限制較小，且在高溫時，微粉對原料的性能影響較小，運(yùn)用適當(dāng)還能夠提高原料抗鋼水侵蝕能力，因此微粉結(jié)合鋼包用整體澆注料已得到廣泛使用。但在實(shí)際使用中，會出現(xiàn)局部異常損毀，尤其是基質(zhì)部分組成不合理會導(dǎo)致材料在使用過程中異常剝落，使材料不能均勻蝕損。該文通過研究基質(zhì)組成對材料性能的影響，特別是通過調(diào)整基質(zhì)組成來控制材料的線變化，使材料在使用過程中保持持續(xù)的微膨脹，使?jié)沧⒁r體始終保持良好的整體性，各部分達(dá)到均勻蝕損，并能充分利用各部分材料性能，最大程度提高材料的性價比。

1 試驗(yàn)

1.1 原料的選取

選用特優(yōu)礬土顆粒為骨料、燒結(jié)鎂砂細(xì)粉和棕剛玉細(xì)粉為主要原料，添加α-Al2O3微粉，各原料化學(xué)組成及理化指標(biāo)見表1。

表1 原料的理化指標(biāo)

1.2 試樣的制備

以特優(yōu)礬土熟料顆粒為骨料，燒結(jié)鎂砂細(xì)粉、棕剛玉細(xì)粉、α-Al2O3微粉、硅微粉為主要基質(zhì)，添加少量添加劑，采用微粉結(jié)合系統(tǒng)，顆粒料與細(xì)粉的質(zhì)量比例接近為7∶3。

在保持顆粒料的組成成分及配比的結(jié)合系統(tǒng)不變的情況下，調(diào)整相關(guān)基質(zhì)組成比例（具體配方略），把稱好的原料按照先顆粒料、后細(xì)粉基質(zhì)的順序依次放入水泥攪拌機(jī)，待組分原料混合均勻后，加入5%～6%的水，持續(xù)攪拌5～6min，將攪拌好的泥料放入模具中，經(jīng)振動成型為40mm×40mm×160mm的試樣。

試樣通過24小時常溫條件養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后再經(jīng)110℃×24h條件進(jìn)行烘干。烘干后的試樣基本制作完畢，一部分試樣用作常溫物理指標(biāo)檢測，另一部分試樣經(jīng)高溫爐在1550℃×3h條件下燒成，燒后試樣用作常溫物理性能檢測[1]。

2 結(jié)果與討論

2.1 減水劑的影響

該試驗(yàn)選用微粉結(jié)合系統(tǒng)，減水劑在此結(jié)合系統(tǒng)中的作用十分突出。固定各基質(zhì)組成，固定加水量為6%，為了比較三聚磷酸鈉和六偏磷酸鈉作為減水劑時的作用效果有何區(qū)別，進(jìn)行四組試驗(yàn)對比，分別加入0.2%的三聚磷酸鈉、0.2%的六偏磷酸鈉、0.1%的三聚磷酸鈉加0.1%六偏磷酸鈉以及0.5%的六偏磷酸鈉，試驗(yàn)后檢測三聚磷酸鈉和六偏磷酸鈉分別作為減水劑時試樣的常溫強(qiáng)度，見表2。

表2 減水劑對材料常溫性能的影響

表2表明使用同量六偏磷酸鈉的試樣常溫強(qiáng)度比使用三聚磷酸鈉或同時使用三聚磷酸鈉和六偏磷酸鈉的試樣要好。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)六偏磷酸鈉比三聚磷酸鈉的緩凝作用更強(qiáng)。使用六偏磷酸鈉的試樣比三聚磷酸鈉試樣在攪拌和成型過程中有較好的泛漿效果和黏度，而不加減水劑的試樣在沒有外力的情況下幾乎沒有流動性。

2.2 硅微粉的影響

根據(jù)Al2O3?MgO?SiO2三元系統(tǒng)相圖可知，對鋁鎂澆注料而言，隨著結(jié)合系統(tǒng)中SiO2微粉加入量的增加，制品在高溫條件下的液相量不斷增多，制品對抗堿性渣熔損的能力降低。但在微粉結(jié)合系統(tǒng)中硅微粉是形成結(jié)合系統(tǒng)的基礎(chǔ)，硅微粉的加入量對制品物理性能影響見圖1、圖2。

從圖1、圖2中可見，隨著SiO2微粉加入量的增加，試樣的高溫?zé)髲?qiáng)度（1550℃×3h）明顯增加，線變化降低，但這種作用在SiO2微粉加入量超過2%時，這種趨勢不明顯。綜合各項(xiàng)檢測指標(biāo)分析，在試樣中加1%～2%的硅微粉試樣的綜合性能較好。

圖1 SiO2微粉加入量對材料1550℃燒后強(qiáng)度的影響

圖2 SiO2對材料1550℃燒后線變化的影響

2.3 活性α-Al2O3微粉粒度的影響

α-Al2O3微粉可提高材料在高溫高溫條件下的性能、提高澆注料在施工時的流動性。α-Al2O3微粉的粒徑不同對澆注料性能的影響也較大，在保持顆粒料的組成成分及配比的結(jié)合系統(tǒng)不變的情況下，不同α-Al2O3微粉的粒徑對澆注料試樣常溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度性能的影響見表3。

表3 α-Al2O3粒徑對材料性能的影響

表3中的對比結(jié)果表明α-Al2O3微粉的粒度愈細(xì)，制品的常溫強(qiáng)度和1550℃×3h燒后強(qiáng)度明顯提高，特別是d90小于1μm時，制品的強(qiáng)度提高幅度較大。α-Al2O3微粉的作用機(jī)理主要是顆粒越細(xì)，α-Al2O3微粉在整個體系中的填充性及活性越好。微粉良好的填充性使?jié)沧⒘系牧鲃有缘玫酱蠓纳疲節(jié)沧⒘系慕M織結(jié)構(gòu)愈加致密，常溫強(qiáng)度提高；α-Al2O3微粉的活性促進(jìn)材料制品在高溫條件下的快速燒結(jié)，主要表現(xiàn)為澆注料在加入α-Al2O3微粉后的高溫?zé)髲?qiáng)度大幅度提高。

2.4 鎂砂細(xì)粉的作用效果

在M-S-H系統(tǒng)中MgO水化后與Si-O-H作用形成結(jié)合系統(tǒng)，同時MgO對抵抗鋼水中堿性渣的侵蝕有顯著效果。鎂砂細(xì)粉的加入量對試樣在高溫（1550℃×3h）燒后的耐壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、線變化率及顯氣孔率等檢測性能的影響見圖3、圖4。

由圖3、圖4可知，基質(zhì)中加入少量鎂砂細(xì)粉可顯著提高試樣材料高溫?zé)蟮膹?qiáng)度性能，并隨著試樣中MgO含量的增加，試樣高溫?zé)蟮膹?qiáng)度下降，線變化率顯著增大。分析認(rèn)為，當(dāng)系統(tǒng)中加入少量MgO細(xì)粉時，MgO基本全部水化，與結(jié)合系統(tǒng)中的硅微粉作用形成M-S-H，使制品形成致密結(jié)構(gòu)體，增加制品的高溫?zé)髲?qiáng)度。線變化增大的主要原因是基質(zhì)中的Al2O3微粉與過量的MgO反應(yīng)，此反應(yīng)在生成MA過程中隨著8%的體積膨脹，這種材料在高溫下保持一定量的微膨脹，能使材料具備良好的整體性能。尤其對大中型的鋼包來講，鋼包襯體的高溫?zé)缶€變化若達(dá)不到微膨脹的要求，必然會導(dǎo)致鋼包襯體局部有較大裂紋產(chǎn)生，特別是在鋼包使用到中后期，產(chǎn)生的這種裂紋會不斷擴(kuò)大并被鋼水滲入。鋼包襯體的裂紋在滲入鋼水后，由于鋼包溫度條件在不斷變化，就會導(dǎo)致鋼包襯體出現(xiàn)大面積的結(jié)構(gòu)剝落。因此在鋁鎂澆注料中除添加少量MgO細(xì)粉外，還會添加部分1mm～0mm的MgO顆粒，因?yàn)?mm～0mm的MgO顆粒和Al2O3微粉反應(yīng)速度較慢，使鋁鎂澆注料在使用過程中保持連續(xù)的微膨脹，以抵消鋁鎂澆注料在使用到中后期時基質(zhì)部分的進(jìn)一步燒結(jié)產(chǎn)生的收縮。

圖3 鎂砂細(xì)粉加入量對材料1450℃燒后線變化的影響

圖4 鎂砂細(xì)粉加入量對材料1450℃燒后強(qiáng)度的影響

進(jìn)一步研究MgO小顆粒的顆粒分布對反復(fù)使用的材料產(chǎn)生微膨脹的影響，對設(shè)計高壽命包齡具有較高的指導(dǎo)意義。綜合MgO的作用效果，其顆粒與細(xì)粉的總加入量在5%～10%較好。

3 鋼包用鋁鎂質(zhì)整體澆注料的應(yīng)用

3.1 鋼包用鋁鎂質(zhì)整體澆注料的損毀

通過對某鋼廠70噸轉(zhuǎn)爐鋼包使用情況的分析與總結(jié)可知鋼包損毀的主要原因有三個方面。1） 鋼包包底沖擊區(qū)在使用到整體壽命的中期時開始出現(xiàn)裂紋，裂紋在鋼包噴補(bǔ)后無明顯改善，并在后續(xù)鋼包使用時不斷擴(kuò)大。2） 鋼包包壁的下半部分在鋼包使用到中后期開始不斷出現(xiàn)裂紋，最終在鋼包的三分之一處形成龜裂，龜裂隨著鋼包使用次數(shù)的增加不斷向上沿伸，延伸到鋼包的中段部位，包壁就會產(chǎn)生局部剝落，進(jìn)一步降低鋼包的使用壽命。3） 鋼包包襯在使用過程中被鋼水和鋼渣不斷侵蝕，尤其是鋼渣的侵蝕能力較強(qiáng)，鋼包渣線位蝕損嚴(yán)重。

對以上情況應(yīng)采取如下對應(yīng)措施。1） 包底沖擊區(qū)用鋁鎂質(zhì)整體澆注料使用品質(zhì)更高的原料，在基質(zhì)部分使用高純原料以增加鋼包包底沖擊區(qū)澆注料的整體性能，延緩裂紋出現(xiàn)的時間，并在裂紋出現(xiàn)后有效控制裂紋擴(kuò)大的速率，增加鋼包包底的使用壽命。2） 控制調(diào)整澆注料中基質(zhì)的組成，適量增加組分中顆粒鎂砂的數(shù)量，提高系統(tǒng)中鎂砂細(xì)粉的純度，避免基質(zhì)過早燒結(jié)，使材料在使用過程中保持持續(xù)的微膨脹性能，通過材料自身的微膨脹抵消因基質(zhì)不斷燒結(jié)造成的體積收縮，抑制包壁上裂紋的產(chǎn)生，從而避免包壁因龜裂造成的整體剝落。3） 適當(dāng)提高M(jìn)gO含量和質(zhì)量的同時，在保證產(chǎn)品強(qiáng)度和施工性能條件下，減少硅微粉和添加劑的加入量，提高制品的抗渣性，使包壁和渣線用同一種材料，在改善渣線部位侵蝕過快的問題后，同時實(shí)現(xiàn)包壁與渣線壽命同步，簡化施工工藝[2]。

3.2 鋼包澆注料的使用

綜合前期實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的檢測結(jié)果，考慮鋼廠的實(shí)際使用條件，該文設(shè)計的鋼包澆注料性能見表4。

表4 鋼包用鋁鎂質(zhì)整體澆注料的物理指標(biāo)

該試驗(yàn)生產(chǎn)的鋼包澆注料在某鋼廠70噸轉(zhuǎn)爐鋼包上使用。該鋼包主要生產(chǎn)的鋼種為20MnSi、Q235、硬線系列、焊線系列等。鋼水生產(chǎn)過程中經(jīng)底吹氬和LF爐精煉處理，試驗(yàn)鋼包平均使用壽命為70次，最高82次，最低60次（不考慮因其他因素提前下線）。鋼包各部位基本保持均勻蝕損，渣線位與包底、包壁壽命同步，使用過程中平均在50次左右鋼包開始出現(xiàn)裂紋，直至使用至下線，鋼包包襯及渣線位均無異常剝落，裂紋出現(xiàn)時間及擴(kuò)大速率大為改善。包襯工作層砌筑厚度為120mm，用后殘襯原質(zhì)層厚度平均為25mm，變質(zhì)層厚度平均為10mm，平均侵蝕速率為1.21mm/次。

3.3 性價比分析

某鋼廠70噸轉(zhuǎn)爐鋼包原來使用純鋁酸鈣水泥結(jié)合鋁鎂質(zhì)整體澆注料，其以尖晶石顆粒為骨料，或以特優(yōu)礬土熟料為主要骨料，并添加15%～25%的剛玉顆粒，基質(zhì)部分以白剛玉和電熔鎂砂為主成分，一次性包齡在70次～80次，要經(jīng)重新打結(jié)包底，并經(jīng)1次～2次局部小修后包壁累計包齡為100次～110次，其用原材料成本比該試驗(yàn)原材料成本高一倍以上，成本較高，且中途修包、更換透氣磚及座磚，比較麻煩。經(jīng)總結(jié)多家澆注料生產(chǎn)廠家在該廠試驗(yàn)效果后，放棄原使用計劃，改用我公司研制生產(chǎn)的微粉結(jié)合鋼包用鋁鎂質(zhì)整體澆注料[3]。

4 結(jié)語

該文以礬土熟料為骨料，基質(zhì)部分使用中檔材料的適當(dāng)配合，采用微粉結(jié)合，可獲得性價比較高的適合中、小型鋼包用鋁鎂質(zhì)整體澆注料。使整個鋼包均勻蝕損，防止異常剝落，是該微粉結(jié)合鋼包用鋁鎂質(zhì)整體澆注料研究的出發(fā)點(diǎn)。通過控制MgO的含量和粒度組成使材料獲得均勻持續(xù)微膨脹，可以有效控制結(jié)構(gòu)剝落。α-Al2O3微粉的粒度對澆注料物理性能影響較大，粒度愈細(xì)其填充、燒結(jié)性愈好，常溫及高溫?zé)髲?qiáng)度也較高。該微粉結(jié)合鋼包用鋁鎂質(zhì)整體澆注料具有良好的性價比，使生產(chǎn)單位和使用單位均獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。