超低水泥铁沟浇注料的研究及工业化应用

李德民，杨 强，王义龙，张宏进，涂军波

（1.唐山市国亮特殊耐火材料有限公司，河北 唐山 063021；2.华北理工大学材料学院，河北 唐山 063009）

现阶段高炉大多使用氧化铝-碳化硅-碳质铁沟浇注料，随冶炼技术的进步，一次通铁量从最初几万吨增长到十几万吨，这对铁沟料的性能也提出了更高的要求，出铁沟侵蚀最快的部位是冲击区部位，除热震、铁水冲刷、氧化外，铁沟损毁主要是铁水与铁渣的高温侵蚀。铁水冶炼过程中会生成较多的二氧化硅，氧化钙（其中氧化钙的主要来源就是水泥）、二氧化硅和氧化铝会共同反应形成钙长石、钙黄长石（使用温度下为液相）或铝酸钙等低熔相，这些低熔相很大程度地降低了铁沟料的高温使用性能，严重影响产品的抗侵蚀性，进而影响使用寿命，低熔相生成的同时还会消耗作为基质的氧化铝微粉，基质被消耗侵蚀后，起骨架作用的骨料颗粒也会随之松动剥落，从而使产品结构遭到破坏。目前，高炉铁沟大多采用以高纯铝酸钙水泥为结合剂的氧化铝-碳化硅-碳质浇注料，不可避免地引入氧化钙，从而在高温使用过程中形成低熔相，如果不使用水泥，只采用氧化铝微粉和硅微粉等超微粉结合，常温脱模强度又较低，满足不了施工要求，虽然有报道采用ρ-Al2O3结合（水硬性氧化铝），溶胶凝胶（硅与铝）结合制得铁沟浇注料，但在现场施工中存在凝固快和控制困难等问题，因此并没有得到普遍的应用，水泥还是现阶段铁沟料主要的结合剂[1-8]。因此，研制超低水泥结合的Al2O3-SiC-C 铁沟浇注料，配合超微粉，在保证常温脱模强度的前提下，尽可能地减少氧化钙的引入，既保证浇注成型、脱模后不损毁，又通过减少浇注料在高温下的低熔物来提高材料的高温强度和使用性能，可以很好的抵抗铁水和熔渣的侵蚀，从而延长铁沟的使用寿命。

1 实 验

1.1 原 料

试验主要原料有：电熔棕刚玉，白刚玉，碳化硅，硅微粉、球沥青、塞卡71水泥、金属硅粉，活性Al203微粉，主要原料化学组成见表1。

表1 主要原料化学组成 %

1.2 试样制备

以棕刚玉、白刚玉为主料，以白刚玉、碳化硅、氧化铝等为基质，以水泥为结合剂，逐渐增加水泥含量，按质量分数为0、0.4%、0.6%、1%、1.5%，差值用白刚玉粉补足，制备成浇注料分别标记为1#、2#、3#、4#、5#，具体试样配比见表2。

表2 配方主要原料组成 %

按照表2所示配方配料，将配好的物料干混60 s，加入相同量的水（满足施工要求为标准，实验加入4.5%）后再湿混120 s。将物料搅拌均匀，在振动台上震动成型，制得尺寸为40 mm×40 mm×160 mm 的长条试样，经过常温带模养护24 h后，脱模，之后在110℃恒温烘箱中干燥24 h，然后分别在空气气氛下，加热到1 500 ℃，并保温3 h烧成，然后，随炉自然冷却到室温。

1.3 性能检测

按照 GBT5072—2008、GBT2997—2000 对干燥后和烧成后试样的体积密度和显气孔率进行测量，按照YB/T5201—1993对试样的耐压强度指标进行测量，按照GB/T3002—1982检测试样的高温抗折强度（空气气氛，1 450 ℃保温1 h）。用扫描电镜EVO18 观察试样的高温抗折断口的显微结构。

2 结果分析与讨论

2.1 对浇注料体积密度和显气孔率的影响

不同温度热处理后试样的体积密度和显气孔率随水泥加入量的变化情况如图1所示。从图1（a）中可以看出，浇注料在经过110 ℃保温24 h处理后，气孔率呈现逐渐降低的趋势；经过1 500 ℃保温3 h处理后，气孔率呈现逐渐增高的趋势；从图1（b）可以看出，浇注料在经过110 ℃保温24 h后，体积密度呈现逐渐增加趋势；浇注料在经过1 500 ℃保温3 h 后，体积密度呈现逐渐降低的趋势；这是因为：随着水泥引入量的增大，形成的水化产物量增加，常温气孔率下降，体密逐渐增大；温度升高时，水化产物相脱水产生气孔，使得材料结构疏松，结构致密性降低，所以高温后气孔率增加，体积密度逐渐减小。

2.2 对浇注料常温冷态强度的影响

不同温度热处理后试样的冷态抗折耐压强度随水泥加入量的变化见图2。可以看出：随着水泥加入量的增加，110 ℃干燥后试样的冷态常温抗折强度、耐压强度均增大；1 500 ℃烧后试样的冷态抗折强度、耐压强度均减小。影响试样强度的因素较多，包括致密度、物相组成、显微结构等。干燥及烧后试样的冷态强度随水泥加入量变化的原因，分析可能是随着温度提高，水泥的水化相脱水会产生气孔，使得材料结构致密度降低，所以高温冷态抗折耐压强度呈下降趋势。

2.3 对浇注料高温抗折强度的影响

水泥加入量对浇注料高温抗折强度的影响如图3所示。从图3可看出，随着水泥加入量的增加，试样的高温抗折强度逐渐减小，当水泥加入量超过1%时，高温抗折强度下降幅度增大，这是因为水泥加入量提高，高温下会形成钙黄长石等低熔物含量增多，使得高温抗折强度下降。图4是添加水泥1.5%试样高温抗折断口显微结构照片，图4中可以看出低共熔相形成较多，莫来石结合相较细小；图5是添加0.6%水泥试样的高温抗折断口显微照片，可见试样中低共熔相形成很少，形成发育良好的莫来石晶相，莫来石晶相对浇注料高温抗折强度的改善是非常有利的。

图1 不同含量水泥试样的显气孔率和体积密度

图2 不同含量水泥试样的冷态抗折及耐压强度

图3 不同含量水泥试样的高温抗折强度

图4 水泥加入1.5%配方高温试样断口的显微结构照片

图5 水泥加入0.6%配方高温试样断口的显微结构照片

通过实验，水泥加入量太少，常温脱模强度得不到保证，加入量高，高温性能会变差。综合上述性能，水泥在Al2O3-SiC-C铁沟浇注料中最佳加入量为0.6%。

3 工业试验和应用

在实验室研究结果的基础上，将添加水泥0.6%的方案在某钢铁公司进行工业试验。其高炉容量为1 080 m3，其主沟到小坑长14.5 m，渣沟11 m，共用料73 t，其中主沟用49 t，使用至下次套拆，共使用84 天出铁量约16.5万t，取得了较好的使用效果。

4 结 论

（1）减少水泥加入量，能提高铁沟浇注料的高温性能，主要原因是减少低共熔物钙黄长石的生成，在浇注料中生成交错网状莫来石晶体从而提高高温性能。水泥加入量为0.6%时，浇注料综合性能较好。

（2）在此基础上生产的铁沟浇注料，取得较好的工业试验效果。