趙宗強(qiáng) 張洪睿 陳留剛

鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院河南省高溫功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南鄭州 450052

鋁酸鈣水泥（CAC）結(jié)合的剛玉－尖晶石澆注料被廣泛應(yīng)用于鋼包中［1－5］。尖晶石（MgAl2O4）的引入方式有原位生成和預(yù)合成后加入兩種。其中原位MgAl2O4活性高，能更好地提高澆注料的抗熔渣滲透性［6－8］。但MgAl2O4的形成過程伴有8%的體積膨脹［2］，影響CAC結(jié)合澆注料的高溫體積穩(wěn)定性，進(jìn)而影響其高溫強(qiáng)度和抗渣性能［9］。近年來，活性MgO被用作結(jié)合劑制備剛玉－尖晶石質(zhì)澆注料［10］。活性MgO的水化產(chǎn)物賦予澆注料一定的脫模強(qiáng)度［11－14］，并且MgO在高溫下會(huì)與剛玉反應(yīng)形成原位尖晶石［6－7］，使得MgO結(jié)合的澆注料具有更好的抗渣性。在本工作中，以活性MgO為結(jié)合劑制備了剛玉－尖晶石澆注料，并與CAC結(jié)合的剛玉－尖晶石澆注料進(jìn)行了性能對比。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)用原料有板狀剛玉骨料（6～3、3～1、1～0.5和≤0.5 mm）和細(xì)粉（≤0.45 mm），活性氧化鋁（BI－2），燒結(jié)鎂砂細(xì)粉（≤0.45 mm），乳酸鋁（≤0.45 mm），減水劑FS10和FS60。結(jié)合劑選用鋁酸鈣水泥（Secar 71）和活性MgO（d50＝4.48μm，MgO、CaO、SiO2、Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為98.25%、1.45%、0.26%、0.03%）。

1.2 試樣制備

活性MgO結(jié)合的試樣RM和鋁酸鈣水泥結(jié)合的試樣CAC的配料組成見表1。將配好的料手動(dòng)預(yù)混1 min，在水泥膠砂攪拌機(jī)中干混1 min，然后加水濕混2 min。最后，將攪拌好的料振動(dòng)澆注成25 mm×25 mm×150 mm 的條狀試樣和外部尺寸為φ60／70 mm×70 mm、內(nèi)孔尺寸為φ35／40 mm×35 mm的坩堝試樣。

表1 試樣配比

再按表1中細(xì)粉部分的配比配料，手動(dòng)干混1 min后倒入一次性塑料杯中，用攪拌器攪拌1 min，再加水?dāng)嚢? min，制成基質(zhì)試樣。澆注料試樣和基質(zhì)試樣自然養(yǎng)護(hù)24 h后，在110℃干燥24 h，然后在1 600℃保溫3 h燒成。

1.3 性能檢測

按GB／T 5988—2007測量燒后試樣的加熱永久線變化。分別按GB／T 3001—2007和GB／T 5072—2008檢測燒后澆注料試樣的常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度。按GB／T 2997—2015檢測燒后澆注料試樣的體積密度和顯氣孔率。

按GB／T 8931—2007檢測澆注料試樣的抗渣性能。稱取30 g的CaO－Al2O3－Fe2O3－SiO2渣（渣中MgO、Al2O3、CaO、SiO2、Fe2O3、MnO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6.50%、4.56%、30.41%、16.74%、34.85%、5.01%），放入經(jīng)1 600℃熱處理3 h后的澆注料坩堝試樣中，在1 600℃保溫3 h，冷卻后沿坩堝孔中心軸切開，測量其剖面的侵蝕面積、滲透面積和原坩堝孔面積，然后計(jì)算坩堝的侵蝕和滲透面積百分率。

將燒后基質(zhì)試樣研磨成粉末，采用X’Pert PRO型X射線衍射儀分析其物相組成。用EPMA－8050G型場發(fā)射電子探針顯微分析儀觀察燒后澆注料試樣基質(zhì)部分的顯微結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 燒后基質(zhì)試樣的物相組成和顯微結(jié)構(gòu)

燒后基質(zhì)試樣RM和試樣CAC的XRD圖譜見圖1?？梢钥闯觯夯|(zhì)試樣CAC中有MgAl2O4和CaO·2Al2O3（CA2），基質(zhì)試樣RM中只有MgAl2O4。

燒后澆注料試樣RM和試樣CAC基質(zhì)部分的二次電子像見圖2?？梢钥闯觯簝蓚€(gè)試樣基質(zhì)中都存在MgAl2O4（MA），并且MgAl2O4晶粒較小，晶粒間存在大量微米級氣孔；試樣CAC基質(zhì)中還存在CA2，并且CA2晶粒比MgAl2O4晶粒大，晶粒間的結(jié)合也比較緊密。

圖2 1 600℃燒后澆注料試樣基質(zhì)部分的二次電子像

2.2 澆注料試樣的性能

經(jīng)檢測，澆注料試樣CAC和試樣RM在1 600℃保溫3 h燒后的加熱永久線變化分別為1.31%和0.72%。在熱處理過程中，試樣CAC 中生成的MgAl2O4和CA2均會(huì)發(fā)生體積膨脹（膨脹率分別為8%和13.6%），而試樣RM 中只生成MgAl2O4。因此，試樣RM的加熱永久線變化比試樣CAC的小，體積穩(wěn)定性比試樣CAC的好。

燒后澆注料試樣CAC和試樣RM的顯氣孔率、體積密度、常溫耐壓強(qiáng)度和常溫抗折強(qiáng)度見圖3?？梢钥闯?，試樣RM的顯氣孔率略高于試樣CAC的，但常溫耐壓強(qiáng)度和常溫抗折強(qiáng)度顯著低于試樣CAC的。

圖3 1 600℃燒后澆注料試樣的致密度和常溫強(qiáng)度

抗渣試驗(yàn)后澆注料坩堝的剖面照片及侵蝕指數(shù)和滲透指數(shù)見圖4?？梢钥闯觯涸嚇覴M的抗渣侵蝕性和抗渣滲透性均優(yōu)于試樣CAC的。這是因?yàn)樵嚇覥AC中的鋁酸鈣在高溫下容易溶入CaO－Al2O3－Fe2O3－SiO2渣中［15］。

圖4 抗渣試驗(yàn)后坩堝的剖面照片及侵蝕指數(shù)和滲透指數(shù)

3 結(jié)論

經(jīng)1 600℃熱處理后，與鋁酸鈣水泥結(jié)合的剛玉－尖晶石澆注料相比，活性MgO結(jié)合的剛玉－尖晶石澆注料的常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度較低，但體積穩(wěn)定性、對CaO－Al2O3－Fe2O3－SiO2渣的抗侵蝕性和抗?jié)B透性顯著提高。