主要原料和結(jié)合劑

不燒鋼包磚在使用過程中,其熱面緩慢燒結(jié),在自身發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)的同時,還受到渣中組分的侵蝕,生成新的礦相,致使耐火磚的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,而磚冷端的物相及結(jié)構(gòu)幾乎不變,這樣在磚的冷熱面之間就產(chǎn)生熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力,從而產(chǎn)生裂紋。在鋼包冷熱交替以及鋼包渣和鋼水不斷滲透、侵蝕的情況下,磚中裂紋不斷擴(kuò)展,隨著渣的滲透、侵蝕以及鋼水熱沖擊磨損的不斷作用,最終造成磚的剝落,嚴(yán)重影響了鋼包磚的壽命。而抑制剝落的主要措施是提高磚的抗熱震性、抗渣滲透和侵蝕性?？煽紤]在無碳不燒磚的基質(zhì)中預(yù)加一部分尖晶石(MA),使鎂砂和活性氧化鋁微粉以此尖晶石為晶核,在使用過程中發(fā)生尖晶石化反應(yīng),生成MA-MA結(jié)合相,從而使不燒磚在高溫使用過程中能夠均勻逐步燒結(jié)致密化、高強(qiáng)化,并產(chǎn)生類似于鎂鋁尖晶石燒成磚的顯微結(jié)構(gòu),以達(dá)到抗渣蝕損和耐剝落的目的。

另外,為防止使用過程中包襯夾鋼和鋼包渣沿磚縫侵蝕,要求無碳鋼包磚在高溫下應(yīng)具有一定的膨脹率,這可通過加入一定量的電熔鎂砂與Al2O3反應(yīng)生成鎂鋁尖晶石伴隨的膨脹來實(shí)現(xiàn)。因此,研制的無碳鋼包磚選擇棕剛玉、電熔白剛玉、電熔鎂砂等為主要原料,同時還在基質(zhì)中引入以剛玉粉、電熔尖晶石和活性氧化鋁微粉等共磨至一定細(xì)度的自制活性復(fù)合尖晶石微粉。

選用的結(jié)合劑有磷酸鹽、SiO2微粉、輕燒MgO粉、鹵水和亞硫酸紙漿廢液。

試驗(yàn)方案

配方設(shè)計(jì)以Andreassen顆粒堆積理論為基礎(chǔ),采用棕剛玉、電熔白剛玉及電熔鎂砂作骨料,其臨界顆粒尺寸為5mm;細(xì)粉則以剛玉細(xì)粉、電熔鎂砂粉及活性復(fù)合尖晶石微粉等為主。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)配方(w)是:≤5mm的棕剛玉50%,白剛玉顆粒(≤3mm)和細(xì)粉(≤0.044mm)共25%,電熔鎂砂顆粒(≤2mm)和細(xì)粉(≤0.074mm)共4%,自制活性復(fù)合微粉20%,添加劑1%,結(jié)合劑4%。首先進(jìn)行在基礎(chǔ)配方條件下結(jié)合劑的選擇試驗(yàn),分別采用單獨(dú)加入磷酸鹽、輕燒MgO粉、亞硫酸紙漿廢液以及復(fù)合加入SiO2微粉+鹵水和SiO2微粉+亞硫酸紙漿廢液的形式加入結(jié)合劑;然后在選定的結(jié)合劑和基礎(chǔ)配方條件下進(jìn)行鎂砂加入量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、2%、3%、4%、5%、6%)和復(fù)合尖晶石微粉加入量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、10%、15%、20%、25%)的選擇試驗(yàn)。

試樣制備和性能測試

按試驗(yàn)方案配料后進(jìn)行混料?；炝蠒r先將顆粒料混合均勻后加入結(jié)合劑混練3～5min,再加入預(yù)混好的細(xì)粉繼續(xù)混18min左右出料,采用630t摩擦壓力機(jī)成型,成型試樣自然干燥24h后,于200℃12h烘干,然后分別進(jìn)行1000℃3h和1600℃3h熱處理,并按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢測不同條件熱處理后試樣的體積密度、顯氣孔率、燒后線變化率、耐壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗熱震性(以1100℃?水冷熱震3次后的殘余抗折強(qiáng)度和強(qiáng)度保持率來表征)。

結(jié)合劑的確定

由于無碳不燒鋼包磚沒有進(jìn)行高溫?zé)?只經(jīng)過200℃12h熱處理,而在其搬運(yùn)、包裝、運(yùn)輸和砌筑過程中,需保持一定的強(qiáng)度,為安全考慮,要求其常溫耐壓強(qiáng)度大于30MPa,因此選用合適的結(jié)合劑非常關(guān)鍵。表2示出了幾種結(jié)合劑對無碳鋼包磚性能的影響。從中可以看出,除了磷酸鹽和亞硫酸紙漿廢液結(jié)合的無碳鋼包磚的強(qiáng)度不符合要求外,另外三種結(jié)合劑結(jié)合的試樣都達(dá)到要求。但由于輕燒MgO粉貯存期短,活性不易控制,質(zhì)量難以保證,而SiO2微粉+鹵水做結(jié)合劑的試樣各項(xiàng)指標(biāo)明顯優(yōu)于SiO2微粉+亞硫酸紙漿廢液做結(jié)合劑的,因此,最終決定采用SiO2微粉加鹵水復(fù)合方式作為所研制無碳鋼包磚的結(jié)合劑。

加入鎂砂對無碳鋼包磚燒后線變化率的影響

鎂砂粒度越細(xì),與Al2O3形成尖晶石的反應(yīng)速度則越快,反之越慢。同時,增大鎂砂的臨界粒度,渣在材料中的滲透深度增大,蝕損量逐漸減少。因此,加入一定量的粗顆粒鎂砂對避免大量、快速生成尖晶石,減少反應(yīng)膨脹有利,從而有利于避免不燒鋼包磚在高溫使用中產(chǎn)生的龜裂和剝落。所以,為了避免無碳鋼包磚在使用過程中劇烈膨脹和后期過燒結(jié),鎂砂采用顆粒和細(xì)粉配合的方式。

在活性復(fù)合尖晶石微粉加入量不變的情況下,加入不同量電熔鎂砂的無碳鋼包磚在1600℃3h燒后的線變化率。由圖1可以看出,鎂砂加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時,無碳鋼包磚中產(chǎn)生了輕微的膨脹,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于4%以后,燒后線膨脹增加明顯。眾所周知,對鋼包磚而言,燒后線收縮過大,則磚縫太大,會產(chǎn)生鉆鋼現(xiàn)象;而燒后膨脹過大,則應(yīng)力較大,易引起結(jié)構(gòu)剝落。因此,本試驗(yàn)中適宜的鎂砂加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)為4%。

加入活性復(fù)合尖晶石微粉對無碳鋼包磚性能的影響

在基質(zhì)中通過調(diào)整鎂砂細(xì)粉和剛玉細(xì)粉加入量以保持MgO含量不變的情況下,活性復(fù)合尖晶石微粉加入量對試樣抗熱震性能的影響。隨著活性復(fù)合尖晶石微粉加入量的增加,試樣的抗熱震性呈先改善后變差的趨勢。與試樣強(qiáng)度變化相似,在復(fù)合微粉加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤20%時,可使試樣的抗熱震性能得以改善,但加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時,試樣的抗熱震性能又明顯變差;復(fù)合微粉加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%和20%時,試樣的抗熱震性較好。這是因?yàn)?在高溫下基質(zhì)中所生成的連續(xù)的尖晶石相充填于顆粒之間,在復(fù)合微粉加入量適量時,生成適量的尖晶石相,產(chǎn)生適量的微裂紋,可以有效地緩沖熱應(yīng)力,從而改善材料的抗熱震性能;但復(fù)合微粉加入量過多時,高溫下產(chǎn)生的原位尖晶石過多,伴隨的體積膨脹也較大,造成基質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松,使基質(zhì)結(jié)合強(qiáng)度下降,導(dǎo)致材料的抗熱震性能降低。因此,本試驗(yàn)中活性復(fù)合尖晶石微粉的適宜加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%。

研制的無碳鋼包磚在1000℃處理后呈微膨脹,且強(qiáng)度較高,說明MgO在1000℃下就開始與Al2O3反應(yīng)生成尖晶石,增大了基質(zhì)結(jié)合強(qiáng)度,有利于抵抗熱應(yīng)力引起的熱剝落;1600℃處理后,無碳磚的顯氣孔率降低,說明磚中形成了致密均勻的結(jié)構(gòu),這有利于提高其抗渣滲透性,減少結(jié)構(gòu)剝落。