梁小龍,王子軍,王義龍,陳永強2,,于凌月1,,張連進1,
(1.河北國亮新材料股份有限公司,河北 唐山 063021; 2.河北省鋼鐵冶煉用耐火材料技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 唐山 063021; 3.唐山貝斯特高溫材料有限公司,河北 唐山 063021)
“鈦鋁酸鈣”是鈦鐵合金的冶煉過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品,俗稱鈦鋁酸鈣,研究發(fā)現(xiàn)鈦鋁酸鈣的是一種以鈦鋁酸鈣、六鋁酸鈣為主,二鋁酸鈣及鈦酸鈣為副的高熔點復相材料[1],多年來被作為固體廢棄材料沒有得到合理利用,占用大量的土地資源,而且還會對環(huán)境造成一定的破壞。鈦鋁酸鈣的耐火度可達1 790 ℃以上,在高溫工業(yè)應該有很好的利用價值[2]。本試驗中,擬在剛玉澆注料中加入鈦鋁酸鈣顆粒等量替代其中的板狀剛玉,研究鈦鋁酸鈣顆粒加入對剛玉澆注料性能影響,推動其在耐火材料領域的應用。
試驗所用原料有:板狀剛玉(8~5 mm、5~3 mm、3~1 mm、≤1 mm、≤0.045 mm)、鈦鋁酸鈣(5~5mm)、剛玉粉200目、u-Al2O3微粉、外加劑等。實驗用板狀剛玉顆粒及鈦鋁酸鈣顆粒的主要化學組成見表1。
表1 主要原料的化學組成
如圖1所示,原料鈦鋁酸鈣主要物相為Ca((Al0.84Ti0.16)2)6O19和CaAl12O19(CA6),次晶相為CaAl4O7(CA2)、α-Al2O3,還有少量的CaTiO3和金紅石相[1-2]。
圖1 原料鈦鋁酸鈣顆粒的XRD圖譜
按照配料表(見表2)進行配料,原料干混均勻后,加入到砂漿攪拌機中,在砂漿攪拌機中繼續(xù)干混1 min后,加入適量的清水攪拌5 min至澆注料狀態(tài)良好。將攪拌好的料漿澆注到尺寸為40 mm×40 mm×160 mm×3的標準試樣模具中,固定到震動臺震動成型。同時澆注外徑尺寸70 mm×70 mm×70 mm、內(nèi)孔尺寸為Φ30 mm×35 mm的干鍋試樣,用來檢測材料的抗渣性能。試樣放置于實驗室內(nèi),常溫條件下自然養(yǎng)護24 h之后脫模。之后將樣條及抗渣樣塊置于110 ℃干燥箱干燥24 h。經(jīng)干燥處理的樣條再分別進行110 ℃×24 h、1 200 ℃×3 h、1 550 ℃×3 h熱處理,以及1 450 ℃×0.5h熱態(tài)抗折強度檢測,1 550 ℃×3 h靜態(tài)抗渣試驗檢測。
檢測干燥后和燒成后樣條的抗折、耐壓強度;檢測試樣在1 200 ℃和1 550 ℃保溫3 h熱處理后的線變化率;測量干燥后和燒成后樣條的顯氣孔率、體積密度。
試驗檢測過程中的參考標準:
(1)YB/T 5203—93 致密耐火澆注料線變化率試驗方法;
(2)YB/T 5201—1993致密耐火澆注料 常溫抗折強度和耐壓強度試驗方法;
(3)YB/T 5200—1993 致密耐火澆注料 顯氣孔率和體積密度試驗方法。
表2 配料表 %
在經(jīng)過干燥處理后的坩堝試樣內(nèi)孔中加入45 g的鋼包渣,將坩堝試驗靜態(tài)放置高溫爐內(nèi),經(jīng)過1 550 ℃保溫3 h處理,通過自然降溫至常溫后,沿坩堝最大徑切開,測量試樣的侵蝕面積和滲透面積(以梯形面積公式計算),計算試樣的侵蝕指數(shù)和滲透指數(shù)(1#~4#試樣的侵蝕(滲透)面積/1#試樣的侵蝕(滲透)面積×100%)[2]。試驗用鋼包渣的化學成分見表3。
表3 鋼包渣化學組成 %
經(jīng)過對試樣的體積密度及氣孔率檢測,制作圖表,如圖2、圖3所示。試驗表明,經(jīng)過110 ℃保溫24 h處理后的試樣,體積密度及氣孔率變化均變化不明顯。
圖2 試樣體積密度圖
試樣分別經(jīng)過1 200 ℃保溫3 h以及1 550 ℃保溫3 h熱處理后,其結(jié)晶水、結(jié)構(gòu)水先后排除,呈現(xiàn)氣孔率升高,體積密度減小的趨勢。同時隨著鈦鋁酸鈣顆粒的加入量增大,中高溫處理后的試樣氣孔率略有降低,這是因為鈦鋁酸鈣顆粒的加入在中溫時產(chǎn)生的液相增多,促進了試樣的燒結(jié)。
圖3 試樣氣孔率圖
鈦鋁酸鈣顆粒加入量對試樣重燒線變化率的影響如圖4所示,試樣處理溫度升高,其重燒線變化率相應增大,同時鈦鋁酸鈣顆粒的加入量增加之后,試樣的重燒線變化率相應增大。這是因為隨著溫度升高,鈦鋁酸鈣顆粒邊緣的CA2相與試樣的剛玉相反應生成CA6,伴隨著體積膨脹,同時導致了線變化率增大。
圖4 試樣重燒線變化率圖表
根據(jù)試驗檢測的抗折、耐壓強度數(shù)據(jù)制成試樣常溫抗折強度及常溫耐壓強度趨勢圖表,如圖5、圖6所示,試驗表明,隨著鈦鋁酸鈣顆粒加入量增多,鈦鋁酸鈣的顆粒邊緣與基質(zhì)發(fā)生反應,產(chǎn)生液相燒結(jié),各溫度處理后試樣的抗折強度和耐壓強度均呈現(xiàn)下降的趨勢。
圖5 試樣常溫抗折強度圖表
圖6 試樣常溫耐壓強度圖表
表4為試樣熱態(tài)抗折強度的指標,從數(shù)據(jù)中可以看出,隨著鈦鋁酸鈣的加入量增加,試樣的熱態(tài)抗折強度下降明顯。主要是因為鈦鋁酸鈣的加入,促進了CA2相與剛玉相反應,試樣體積膨脹,甚至產(chǎn)生裂紋,導致強度降低。
表4 試樣熱態(tài)抗折強度指標 MPa
經(jīng)過1 550 ℃保溫3 h處理后的抗渣試樣,沿坩堝試樣最大徑切開的剖面圖如圖7所示;按照試驗截面梯形面積計算試樣的渣侵蝕指數(shù)及渣滲透指數(shù),計算結(jié)果如表5所示,試驗結(jié)果表明,隨著鈦鋁酸鈣顆粒加入量增加,試樣抗渣侵蝕和抗渣滲透性能均變差。
圖7 鈦鋁酸鈣加入量對試樣抗渣性能的影響
表5 試樣的抗渣性能
(1)粒徑為8~5 mm鈦鋁酸鈣的加入后,剛玉澆注料重燒線變化增大、常溫強度降低、抗渣性能下降、1 450 ℃×0.5 h熱態(tài)抗折強度降低,靜態(tài)抗渣性能下降。
(2)鈦鋁酸鈣8~5 mm粒徑顆粒的少量加入(10%),雖然其各方面性能指標下降,綜合考慮成本,具有可行性。