高铝矾土熟料抗铁渣侵蚀性研究

刘贯重 赵金秋 邓乐锐 王伟光

1）北京联合荣大工程材料股份有限公司技术中心 北京101400

2）武汉科技大学材料与冶金学院 湖北武汉430081

随着铁沟吨铁整体承包市场竞争不断加剧，提高铁沟料的“性价比”已成为铁沟承包耐火材料厂家的努力方向。通过补短板，将每种耐火原料性能充分发挥而又不至于过剩，在保证整体质量不降低或提升的同时，降低铁沟料的产品成本［1-3］。范润东等［4］的研究认为，价格低廉的刚玉抗侵蚀性较差，但抗渗透性较好，有望作为骨料替代棕刚玉在高炉出铁沟浇注料中使用；王莹莹等［5］以铝铬渣代替棕刚玉制备铁沟浇注料，发现铝铬渣为骨料，加入量在34%（w）以内时，铁沟浇注料各项性能均有提高，以细粉替代棕刚玉粉可提高铁沟浇注料的体积密度、高温抗折强度和抗渣侵蚀性；李晨晨等［6］用蓝晶石部分替代白刚玉，可有效缓解溶胶结合Al2O3-SiC-C浇注料的烧结收缩，提高浇注料的体积稳定性；李宗宝等［7］认为在铁沟料中使用再生原料替代常规原料，替代量17%～27%（w），浇注料的各项性能仍满足使用要求。根据不同部位选择不同档次的铁沟料产品实现铁沟的寿命同步，也是出铁沟降长板补短板的一种方式。田守信等［8］为了实现效益最大化，推荐出铁沟采取不同部位用不同耐火材料的复合砌筑方法。

很多铁沟厂家通过对铁沟料的应用后侵蚀情况分析，发现铁沟料的侵蚀冲刷，多是基质快于骨料，特别是对于大颗粒也采用电熔刚玉骨料的高档铁沟料配比体系。因此，很多厂家尝试采用高档矾土颗粒替代大颗粒的电熔刚玉骨料，以实现保质降本，提高利润率和市场竞争力。如魏建修等［9］认为以高品位高铝矾土熟料替代铁沟料中的棕刚玉骨料，在铁水温度不高、热冲击较小的中小型高炉上的使用效果差别不大。本工作中针对几种高档矾土熟料进行抗渣性对比研究，其中特别针对现在矾土综合利用趋势已成规模发展的均化矾土进行了分析探讨。

1 试验

1.1 矾土熟料选择

几种矾土熟料块的来源及理化指标见表1。天然煅烧的2种：倒焰窑煅烧的TD88-A和回转窑煅烧的TH88-B；均化矾土3种（均为湿法工艺）：梭式窑煅烧的2种（JS88-D和JS83-E），隧道窑煅烧的1种（JD88-C）。抗侵蚀性试验用渣为一种高炉出铁渣，化学组成（w）为：CaO 36.76%，SiO233.65%，Al2O313.98%，MgO 9.62%，Fe2O31.56%，MnO 0.35%，K2O 1.71%，S 1.29%。

表1 几种矾土熟料块的来源、煅烧工艺及理化指标

1.2 试验过程

以传统倒焰窑煅烧天然块料TD88-A作为抗渣试验对比的基准样块，其余料块与其分别镶嵌于同一坩埚侧壁上，进行1 500℃保温6 h的抗渣试验。试验设计见表2。

表2 坩埚镶嵌矾土料块试验设计

常规标准圆孔抗渣坩埚的形状和大小都不满足镶嵌料块的抗渣试验要求。因此，设计了大尺寸方孔坩埚。对所选取几种料块进行切割，切面以小于坩埚内侧面为宜，厚度薄于坩埚壁厚。将切割后的料块对称贴附于坩埚模具方芯的两侧面，并以细铁丝捆绑固定，而后以高炉出铁沟用主沟自流料（去除1 mm以上的粗颗粒）进行坩埚的自流成型。成型后的坩埚自然养护24 h后脱模，再自然养护24 h，而后放置烘箱中110℃烘24 h。坩埚设计及料块镶嵌示意图见图1。

图1 静态抗渣坩埚及料块镶嵌示意图

将铁渣破碎为＜5 mm颗粒，每个抗渣坩埚装入220 g破碎后的铁渣。将装好铁渣的坩埚放入马弗炉中，设定1 500℃保温6 h。完成抗渣试验后，取出坩埚并沿中轴线切开，对比观察渣侵蚀情况并测量侵蚀深度。采用扫描电镜观察渣侵蚀后矾土切块切割面的显微结构。

2 结果与分析

2.1 抗渣侵蚀性

几组坩埚试样侵蚀后的形貌见图2。观察并测量对比渣侵深度，见表3。

表3 矾土熟料块的侵蚀深度和侵蚀评判

图2 坩埚试样侵蚀后的形貌

由图2与表3可以看出：1）同档（Al2O3含量相近）品质下，天然铝矾土熟料的抗铁渣性优于均化铝矾土熟料的，与吸水率无关；2）对于Al2O3含量88%（w）以上的高档天然铝矾土熟料，吸水率高低决定着抗渣侵蚀性能的优劣；3）对于均化矾土熟料，抗铁渣侵蚀性随Al2O3含量增加而增强。

2.2 显微结构

渣侵蚀后矾土料切块的显微结构照片见图3。从显微结构看，矾土料切块中含有刚玉（灰色粒状）、莫来石（灰色长条状）、钛酸铝（灰白色）和一定量玻璃相。高Al2O3含量的TD88-A、TH88-B、JD88-C、JS88-D四种矾土均以刚玉为主晶相，莫来石相少。天然矾土TD88-A、TH88-B中玻璃相以“孤岛”状不均匀分布于刚玉相间，均化矾土JD88-C、JS88-D玻璃相弥散性均匀分布于刚玉相或与莫来石相间。均化矾土料与天然矾土料的玻璃相分布状态差异是导致两者间抗铁渣侵蚀性差异巨大的主要原因。因此，均化矾土料无论Al2O3含量高低，均不适合在铁沟等与熔融铁渣接触的部位使用。

图3 矾土切块的显微结构照片

这验证了周宁生等［10］的研究，其研究认为刚玉质均化料的缺陷是使赋存于不均匀状态（晶间、粒间三角区）的低熔点物均匀分散于所有晶间，以薄膜状液相包裹刚玉，减少了固-固结合率（或称降低平衡二面角）。例如，以刚玉质颗粒为主的体系中，含有少许低熔颗粒，易蚀损的只是体系的局部。倘若将其均化，将使整个体系弱化，似可比喻为“癌细胞扩散”了［1］。

3 结论

天然铝矾土熟料抗铁渣性优于均化矾土熟料的，与Al2O3含量和吸水率无关。对于Al2O3含量88%（w）以上的高档天然铝矾土熟料，吸水率高低决定着抗渣侵蚀性能的优劣。均化铝矾土熟料随Al2O3含量增加抗铁渣侵蚀性增强，与矾土吸水率无关。玻璃相分布状态差异是导致天然矾土料和均化矾土料抗铁渣侵蚀性之间差异巨大的主要原因。综上，均化矾土熟料无论Al2O3含量高低，均不适合在铁沟等与熔融铁渣接触的部位使用。