Si粉对刚玉－莫来石砖性能的影响

马淑龙 王治峰 马 飞 康 剑 张积礼 高长贺

北京金隅通达耐火技术有限公司 北京 100085

随着高炉强化冶炼技术的发展，喷煤量不断提高，入炉原料的品位不断下降，高炉内碱金属、锌等杂质成分大量富集，炉缸工况环境愈发恶劣，高炉炉缸炉底出现锅底状或象脚状等异常侵蚀损坏现象增多，陶瓷杯内衬刚玉－莫来石砖的侵蚀破坏不断加剧［1－4］。为了提高刚玉－莫来石砖的抗渣铁侵蚀性和抗冲刷性，拟对传统刚玉－莫来石砖进行升级，加入单质Si粉，利用硅的原位反应降低刚玉－莫来石砖的显气孔率［5－6］，提高强度。为此，研究了Si粉引入前后对刚玉－莫来石砖性能的影响。

1 试验

1．1 砖样制备

试验以棕刚玉（3～1、≤1和≤0．076 mm）、α Al2O3粉（≤0．045 mm）、红柱石粉（≤0．076 mm）、Si粉（≤0．076 mm）、广西白泥等为原料，其主要的化学组成见表1。

表1 原料的化学组成Table 1 Chemical composition of starting materials

试验配比见表2。按表2精确称取原料，以纸浆废液为结合剂，按先骨料后细粉的顺序在混砂机混合15 min后，用600 t压砖机制得230 mm×115 mm×75 mm砖坯，于110℃烘干12 h，然后在电炉中于1 600℃保温4 h制得刚玉－莫来石砖。

表2 试验配比Table 2 Formulations of specimens

1．2 性能检测

采用动态感应抗渣法，将烧后的刚玉－莫来石砖切割制成40 mm×40 mm×230 mm的长条样，烘干后安置于动态感应抗渣炉转轴上。将10 kg生铁倒入感应炉石墨坩埚内升温至生铁完全熔化，缓慢加入约4 kg配制的高炉渣，继续加热至1 480℃并保温20 min，此时炉渣熔化且流动性良好。将条样移至坩埚上方预热烘烤约10 min后，将其置于流动渣中搅拌30 min后，将其提出水冷后取下样条。其中，高炉渣是将高纯的CaO粉、镁砂粉、Al2O3粉及石英粉分别按质量分数为50%、5%、30%、15%配制的，碱度为1．15；生铁的化学组成（w）为：Fe 92．3%，C 4．25%，Si 1．76%，Mn 0．68%，P 0．09%，S0．03%。

观察侵蚀后试样的外观形貌，计算侵蚀后试样的质量损失率，采用PHILIPS XL30型扫描电镜观察侵蚀前后试样的显微结构，评判抗高炉渣铁的侵蚀性和冲刷性。

按GB／T 6900—2016、GB／T 2997—2015、GB／T 5072—2008、GB／T 3002—2017、GB／T 5989—2008分别检测烧后试样的化学组成、显气孔率和体积密度、常温耐压强度、高温抗折强度（1 400℃保温0．5 h）、0．2 MPa下的荷重软化温度T0．6。

2 结果与讨论

2．1 理化指标

Si粉对试样理化性能的影响见表3。与未引入Si粉的试样CM相比，引入Si粉的试样NCM的显气孔率较低，体积密度较高，常温耐压强度提高了约30%，高温抗折强度提高了5．6倍。

表3 Si粉对试样理化性能的影响Table 3 Effect of Si powder on physical properties and chemical composition of specimens

图1为试样在1 400℃高温抗折强度试验时的载荷随时间的变化曲线。可见，试样CM在32 s时呈现明显的瞬时断裂；试样NCM继续被压缩至55 s时断裂，可推断变形量明显高于试样CM的，说明Si粉的引入使得材料表现出良好的高温韧性。

图1 1 400℃下试样高温抗折时的载荷随时间的变化曲线Fig．1 Strain curves of load vs．time of specimen under high temperature rupture at 1 400℃

2．2 抗渣铁侵蚀性

侵蚀前试样的显微结构见图2。可见，未加Si粉的试样CM气孔明显粗大且形状不规则；而引入Si粉的试样NCM烧结更加致密，气孔更加均匀细小。可见Si粉的引入可促进试样的烧结，降低显气孔率，提高致密度。

图2 侵蚀前试样的显微结构照片Fig．2 SEM photos of specimens before slag corrosion

动态感应抗渣铁侵蚀后，试样NCM的外貌更完整一些，试样CM渣铁结合处因冲刷产生了明显的侵蚀凹槽。试样CM 和NCM 的质量损失率分别为3．9%和2．3%，说明引入Si粉有助于改善材料的抗冲刷性能。

渣铁侵蚀后试样的显微结构照片见图3。由图3可以看出：试样CM侵蚀边缘凹凸不平，因为表面部分的基质被侵蚀掉，使得部分颗粒剥离进入渣铁中，并且渣铁渗透明显，晶间有大量的白色渣铁侵蚀。而试样NCM因结构致密，显气孔率低，气孔比较小，渣铁渗透程度较小。

图3 渣铁侵蚀后试样的显微结构照片Fig．3 SEM photos of specimen after iron slag corrosion

3 结论

在刚玉－莫来石砖中引入单质Si粉，可明显降低显气孔率，提高耐压强度，明显改善其高温韧性，明显改善抗渣铁侵蚀性和抗冲刷性。