普通铝质浇注料原料优化配置的试验研究

赵忠轩，张连进，于凌月，宋利宽，王义龙

（河北国亮新材料股份有限公司 河北省钢铁冶炼用耐火材料技术创新中心 河北省企业技术中心，河北 唐山063021）

近年来，炉外精炼技术冶炼条件苛刻，工艺多样，条件多变，造成了钢包用耐火材料的使用寿命比初炼炉低很多，严重影响了钢包的周转和经济效益的提高。所以，开发、研制与钢包使用寿命同步且不污染钢水的优质耐火材料很有必要。本文主要研究了镁砂加入量及加入种类对铝质浇注料性能的影响。

1 试验

1.1 试验原料

本试验研究所用主要原料有88矾土、电熔镁砂、中档镁砂、硅灰、纯铝酸钙水泥等，试验所用主要原料及其化学组成和粒度见表1。

表1 原料化学组成

1.2 试验方案

按国家标准YB/T 5200-1993（2017）《致密耐火浇注料 显气孔率和体积密度试验方法》、GB/Y 3001-2017《耐火材料 常温抗折强度试验方法》、GB/T 5072-2008《耐火材料 常温耐压强度试验方法》、GB/T 3002-2017《耐火材料 高温抗折强度试验方法》的1 550℃烧后抗折强度、耐压强度、体积密度和显气孔率，以及GB/T 7320-2008《耐火材料 热膨胀试验方法》和GB/T 8931-2007《耐火材料 抗渣性试验方法》的要求，研究电熔镁砂粉的加入量和电熔镁砂的粒度对铝质耐火材料性能的影响。

通过对铝质浇注料标准配方0#分别加入5%电熔镁砂细粉200目、10%的电熔镁砂细粉200目、电熔镁砂5%粒度为1～0.2 mm和电熔镁砂10%粒度为1～0.2 mm，研究对铝质浇注料性能的影响。对此本研究设计以下试验方案（见表2）。

表2 铝质浇注料试验方案

1.3 试样制备

按照试验方案配料，浇注料颗粒与基质的比例为70:30，混料在水泥胶砂搅拌机内进行，在混合骨料、细粉以及外加剂的过程中，控制加水量（约4%～6%）和加水速度，先加入4%的水，再根据物料粘稠度状态加入适量的水，物料于手掌中成团且无料浆从指缝流出，搅拌时间为180 s。浇注为40 mm×40 mm×160 mm的长条样。振动成型后，自然养护24 h，再放入110℃烘箱烘干24 h后备用。

1.4 试验所需设备

胶砂混料机、水泥胶砂振动台、干燥箱、高温抗折仪、体密-气孔率试验仪、线膨胀测试仪、高温电炉、XRD衍射仪、微机控制电液伺服万能试验机。

1.5 性能测试

将110℃×24 h后的试样在1 550℃×3 h温度制度下进行热处理。将热处理后的试样按标准测定试样的体积密度，显气孔率、耐压强度、抗折强度及线变化率等物理性能。

1.6 试验结果与讨论

1.6.1 热处理后的XRD分析

经1 550℃保温3 h热处理后，各试样的XRD结果见图1。

图1 试样XRD图谱

由衍射图可看出，0#标准配方、1#试样和2#试样相比，0#标准配方、3#试样和4#试样相比，随着电熔镁砂加入量的增加，莫来石相消失，尖晶石生成量增加。1#试样和3#试样相比，2#试样和4#试样相比，可看出电熔镁砂加入形式为1～0.2 mm时比细粉更容易生成尖晶石。加入电熔镁砂的试样与0#标准样相比，SiO2等杂质与镁砂中的氧化镁生成了低熔点物相，高温时为液相，冷却后以无晶型玻璃态存在，所以上图中1#试样、2#试样、3#试样均无莫来石相。

经不同温度热处理后，各试样的XRD结果见图2。

图2 试样不同温度XRD图谱

由图2可以看出，刚玉物相变化不大，莫来石和铝酸钙减少，方镁石减少，表明随温度升高，镁砂和水泥、矾土发生了化学反应。结果不明显，为后人提供研究参考。

1.6.2 烧后线变化率

经1 550℃保温3 h热处理后，各试样的烧后线变化率见图3。

图3 试样烧后线变化率对比图

由图3可知，0#标准配方没有镁砂的加入，高温下没有尖晶石的生成，是由于矾土中杂质含量较多，产生较多液相，液相的润滑导致骨料连接紧密，冷却室温后，试样收缩较大；1#试样和2#试样、3#试样和4#试样相比，随着镁砂加入量增加，试样中生成的尖晶石量增加且尖晶石生成伴有7.6%的体积膨胀，因此镁砂加入越多，烧后膨胀率越大；1#试样和3#试样、2#试样和4#试样相比，试样中的镁砂粉比表面积大，除部分与矾土中的刚玉反应生成尖晶石以外，其余镁砂与硅灰、水泥等杂质更容易反应，生成较多液相，镁砂颗粒比表面积小，不容易和水泥、硅灰反应生成液相，主要是与刚玉反应缓慢生成尖晶石，为浇注料的残余膨胀提供了保证。

1.6.3 体积密度和显气孔率

经110℃×24 h、1 550℃保温3 h热处理后，各试样的体积密度和线变化率见图4、图5。

由图4、图5可以看出，0#标准配方、1#试样和2#试样相比，随着电熔镁砂粉的加入量增加，110℃×24 h烘干后试样体积密度减小，铝质浇注料1 550℃×3 h试样体积密度同样减小，铝质浇注料加氧化镁越多，体密越小。因为氧化镁理论密度为3.58，氧化铝的理论密度为3.99，镁铝尖晶石理论体密3.548，生成镁铝尖晶石伴有7.6%的体积膨胀[1]。

1#试样和3#试样相比，2#试样和4#试样相比，由图4、图5可以看出，1#试样和2#试样体积密度较小，3#试样和4#试样体积密度较大。因为加入电熔镁砂粒度为1～0.2 mm时，颗粒生成尖晶石量多，膨胀更大，加入细粉生成尖晶石量少，低熔点物相较多，因此体积密度较大，显气孔率较低[2]。

图4 110℃×24 h烘干后试样体积密度和显气孔率对比图

图5 1 550℃×3 h试样体积密度和显气孔率对比图

1.6.4 抗折强度和耐压强度

经110℃×24 h、1 550℃保温3 h热处理后，各试样的抗折、耐压强度见图6、图7。

图6 110℃×24 h烘干后试样抗折强度和耐压强度对比图

图7 1 550℃×3 h试样抗折强度和耐压强度对比图

由图6、图7可以看出，常温抗折强度大于4 MPa，满足搬运要求。在110℃×24 h烘干后的条件下，0#标 准 配 方、1#试 样 和2#试 样 相 比，0#标 准 配方、3#试样和4#试样相比，试样的抗折强度和耐压强度都有上升的趋势。所以，无论加入的是电熔镁砂粉还是粒度为1～0.2 mm，随着电熔镁砂加入量增加，铝质浇注料的常温抗折强度和耐压强度均上升。

而在1 550℃烧后的条件下，0#标准配方、1#试样和2#试样相比，2#试样和3#试样随着电熔镁砂粉增加抗折强度和耐压强度下降，0#标准配方、3#试样和4#试样相比，试样的抗折强度和耐压强度有下降的趋势。所以，无论加入的是电熔镁砂粉还是1～0.2 mm，随着电熔镁砂加入量增加，铝质浇注料的1 550℃×3 h烧后的冷却试样抗折强度和耐压强度都会下降。是因为随着电熔镁砂加入量增加，生成尖晶石量增加，膨胀更大，试样结构疏松，所以强度降低。

由图6、图7可以看出，0#试样、1#试样、3#试样和0#试样、2#试样、4#试样相比，在110℃×24 h烘干后的试样，加入粒度1～0.2 mm电熔镁砂比细粉的抗折强度高，而耐压强度有所下降；在1 550℃×3 h烧后条件下，加入电熔镁砂粒度为1～0.2 mm时，试样的抗折强度和耐压强度都高于细粉形式的加入。是因为在烧成时，原位生成的尖晶石将骨料与基质紧密结合，提高了固-固结合强度，以细粉引入，在高温时内部生成大量液相，冷却后的试样以玻璃相的形式结合了骨料与基质，更脆弱。

1.6.5 高温抗折强度

经1 000℃、1 200℃、1 400℃保温热处理后，各试样的抗折强度见图8。

图8 试样高温抗折强度对比图

因为1 000℃氧化镁没有剧烈反应，无低熔点物相生成，是水泥、硅灰水化产物将骨料和基质结合的强度[3]，所以在1 000℃时抗折强度很高。在1 200℃时，水化产物分解，强度降低，有少量液相，低熔点固相（堇青石、钙铝黄长石、钛酸镁、钛酸钙）和高熔点镁铝尖晶石生成，低熔点固相和镁铝尖晶石提高强度，液相的生成削弱了骨料和基质连接强度，所以强度降低。1#试样、2#试样和3#试样、4#试样相比，细粉生成的固相快，生成固相较多，所以细粉强度大于粒度为1～0.2 mm。在1 400℃高温作用下，矾土中的杂质、硅灰和电熔镁砂生成了大量液相，导致基本没有强度。而1 200℃时加如电熔镁砂细粉生成镁铝尖晶石多，高温强度大，所以2#试样比1#试样高温抗折强度大。

1.6.6 抗渣性

经1 450℃保温0.5 h热处理后，各试样的抗渣性见图9。

图9 试样完成抗渣性试验后照片

0#试样和加镁砂试样相比，钢渣渗透深度均较小，表明加入的镁砂生成的镁铝尖晶石提高了抗渣渗透性。1#试样、2#试样与3#试样、4#试样相比，以细粉形式引入电熔镁砂，尖晶石生成的少，未能全部堵塞气孔，并且液相量多，为炉渣的渗透提供了通道，以粒度为1～0.2 mm形式引入的电熔镁砂生成尖晶石量多，堵塞了气孔，阻止了炉渣的渗透[4]。3#试样与4#试样相比，4#试样生成尖晶石过多，膨胀大，内部结构疏松，钢渣渗透深度较大，3#试样渗透的深度最小，抗渣渗透性较好，是因为尖晶石生成量适宜，钢渣难以渗透进入试样内部。

2 结论

（1）随着电熔镁砂加入量增加，镁铝尖晶石的生成量增加，试样结构疏松，体积密度降低，烧后强度降低；加入镁砂颗粒的试样与加入镁砂细粉的试样相比，加入镁砂颗粒的试样生成尖晶石量多，膨胀大，原位生成的尖晶石将骨料与基质紧密结合，提高了固-固结合强度；加入镁砂细粉的试样生成尖晶石量少，生成低熔点物相较多，在高温时转变成大量液相，冷却后的试样以玻璃相的形式结合骨料与基质，更脆弱。因此加入镁砂细粉的试样体积密度较大，显气孔率较小，强度较低。

（2）1 000℃时，无低熔点物相生成，水泥和硅灰水化产物将骨料和基质结合，强度较高。在1 200℃时，水化产物分解，少量液相、低熔点固相和高熔点镁铝尖晶石生成，液相的生成削弱骨料和基质连接强度，占主导因素，所以强度降低。而加电熔镁砂细粉多的试样高温强度大。加入镁砂颗粒的试样与加入镁砂细粉的试样相比，加入细粉的试样生成的固相快，生成固相多，加入细粉强度大于加入颗粒强度。在1 400℃高温作用下，矾土中的杂质、硅灰和电熔镁砂生成了大量液相，导致基本没有强度。

（3）加入镁砂的试样生成镁铝尖晶石，提高了抗渣渗透性。以细粉形式引入电熔镁砂与以颗粒形式引入电熔镁砂相比，以粒度为1～0.2 mm形式引入的电熔镁砂的试样生成尖晶石量多，堵塞气孔，抗渣渗透性好。加入5%电熔镁砂颗粒的试样渗透深度最小，抗渣渗透性最好，是因为尖晶石生成量适宜，钢渣难以渗透进入试样内部，加入10%电熔镁砂试样生成尖晶石过多，膨胀大，内部结构疏松，钢渣渗透深度较大。