為提高鋼包座磚的使用壽命，以板狀剛玉、α-Al2O3微粉、燒結(jié)鎂砂、電熔尖晶石為主要原料，鋁酸鈣水泥為結(jié)合劑，采用高效減水劑制備了鋼包座磚試樣。研究了燒結(jié)鎂砂加入量(加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、4%、5%、6%)和MgO引入形式對鋼包座磚常規(guī)物理性能、高溫抗折強(qiáng)度、抗侵蝕性和抗熱震性的影響。結(jié)果表明：當(dāng)2.5%的燒結(jié)鎂砂和9.5%的電熔尖晶石以復(fù)合的形式引入時，試樣強(qiáng)度提高，抗侵蝕性改善，其綜合性能最好。以此配方制備的鋼包座磚現(xiàn)場使用壽命由原來的40爐提高到50爐，實(shí)現(xiàn)了與鋼包同步，有效提高了鋼包的平均使用壽命。
在冶煉品種鋼使用時，傳統(tǒng)剛玉質(zhì)和剛玉尖晶石質(zhì)鋼包座磚普遍出現(xiàn)使用壽命低、難以和鋼包同步的現(xiàn)象。經(jīng)分析，鋼包座磚損毀的主要原因是鋼水的沖刷、侵蝕及熱震損毀。因此，通過材質(zhì)優(yōu)化開發(fā)精煉鋼用高性能、高壽命鋼包座磚是解決鋼包使用壽命的主要途徑。本工作中，在剛玉質(zhì)座磚的基礎(chǔ)上，首先以燒結(jié)鎂砂的形式引入一定量的MgO，以期原位生成尖晶石來提高座磚的抗?jié)B透性，并研究MgO加入量的變化對座磚性能的影響。由于單獨(dú)加入鎂砂可能會因?yàn)殒V砂原位生成尖晶石發(fā)生體積效應(yīng)而對產(chǎn)品的性能有不利影響，因此，隨后改變MgO的引入方式，研究其對座磚綜合性能的影響。
試驗(yàn)
1.1原料及試樣制備
試驗(yàn)用原料有板狀剛玉(8～5、5～3、3～1、≤1和≤0.044mm)、燒結(jié)鎂砂(≤0.088mm)、電熔尖晶石(≤0.088mm)、α-Al2O3微粉，結(jié)合劑為鋁酸鈣水泥，采用高效減水劑。主要原料的化學(xué)組成見表1。
? 首先將干料混合均勻，然后加入高效減水劑和適量的水，攪拌均勻后振動成型為40mm×40mm×160mm的條樣和外部尺寸為100/90mm×100mm、內(nèi)孔尺寸為50/44mm×60mm的坩堝，脫模后自然養(yǎng)護(hù)24h，經(jīng)110℃保溫24h烘干后，再分別在1100和1550℃保溫3h熱處理。
表2試驗(yàn)配方
1.2 性能檢測
對烘干和熱處理后的條形試樣，按照YB/T5200—1993測其顯氣孔率和體積密度，按GB/T3001—2007測常溫抗折強(qiáng)度，按GB/T5072—2008測常溫耐壓強(qiáng)度，按GB/T5988—2007測加熱永久線變化，按GB/T3002—2004測高溫抗折強(qiáng)度(1550℃保溫1h)。
抗渣試驗(yàn):采用靜態(tài)坩堝法。坩堝裝入一定量的轉(zhuǎn)爐渣，在空氣氣氛下于1550℃保溫5h熱處理，剖開后觀察渣的滲透和侵蝕情況，以滲透深度和侵蝕指數(shù)(侵蝕面積÷侵蝕前試樣面積×100%)表征抗渣性的優(yōu)劣。渣的化學(xué)組成(w)為:CaO50.34%，SiO29.93%，Al2O325.16%，MgO8.42%，T.Fe1.20%。
抗熱震性:將1550℃保溫3h熱處理后的條形試樣經(jīng)過1100℃保溫20min后，風(fēng)冷15min。重復(fù)此過程3次后，測試計算試樣的抗折強(qiáng)度保持率(熱震后抗折強(qiáng)度÷熱震前抗折強(qiáng)度×100%)。
結(jié)果與討論
2.1 燒結(jié)鎂砂加入量對座磚性能的影響
2.1.1燒結(jié)鎂砂加入量對座磚物理性能的影響
燒結(jié)鎂砂加入量對座磚物理性能的影響
(1) 隨著燒結(jié)鎂砂加入量的增加，成型加水量呈增加趨勢。這一方面是因?yàn)榘鍫顒傆竦奈时葻Y(jié)鎂砂的高，另一方面是因?yàn)闊Y(jié)鎂砂會發(fā)生水化而導(dǎo)致加水量增加。烘干和熱處理后試樣的體積密度均呈下降趨勢，顯氣孔率均呈增加趨勢。一方面因?yàn)榧铀康脑黾?，另一方面因?yàn)闊崽幚磉^程中生成尖晶石時產(chǎn)生體積膨脹導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生。
(2) 烘干后試樣的強(qiáng)度呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢，主要是因?yàn)镸gO水化后生成具有結(jié)合性能的Mg(OH)[8]2;熱處理后，引入適量的燒結(jié)鎂砂能有效地提高試樣的強(qiáng)度，主要因?yàn)榧尤胍欢康臒Y(jié)鎂砂在熱處理過程中會生成適量尖晶石;但是，當(dāng)燒結(jié)鎂砂加入量超過4%(w)時，由于尖晶石生成量過多，致使微裂紋部分?jǐn)U展成破壞性裂紋，導(dǎo)致試樣強(qiáng)度明顯下降。
(3)隨著燒結(jié)鎂砂加入量的增加，加熱永久線變化呈增加趨勢，因?yàn)闊崽幚磉^程中尖晶石生成會產(chǎn)生體積膨脹。
2.1.2燒結(jié)鎂砂加入量對座磚抗熱震性的影響
燒結(jié)鎂砂加入量對座磚抗熱震性(1100℃，風(fēng)冷3次)的影響如圖1所示?？梢钥闯?，隨著燒結(jié)鎂砂加入量的增加，抗折強(qiáng)度保持率呈逐漸增加的趨勢。因?yàn)闊Y(jié)鎂砂原位生成尖晶石發(fā)生體積膨脹而產(chǎn)生微裂紋，微裂紋一方面能有效地緩沖試樣在溫度急劇變化過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，另一方面能阻礙裂紋的擴(kuò)展。
2.1.3燒結(jié)鎂砂加入量對座磚抗渣性的影響
燒結(jié)鎂砂加入量對座磚抗渣性的影響如表4所示。從表4可以看出，隨著燒結(jié)鎂砂的增加，試樣的侵蝕指數(shù)呈現(xiàn)先降低后急劇增加的趨勢，滲透深度逐漸減小。根據(jù)CaO-SiO2-MgO三元相圖可知，MgO和熔渣中的CaO、SiO2共融溫度較高，難以形成低熔點(diǎn)物;同時，原位生成的尖晶石活性較高，能快速吸收熔渣中的氧化鐵形成尖晶石固溶體，降低了熔渣中的鐵含量，從而提高了熔渣的黏度，熔渣的滲透減弱，進(jìn)而使抗侵蝕性有所提高。當(dāng)燒結(jié)鎂砂加入量過多時，由于體積效應(yīng)過大，試樣內(nèi)部裂紋過多而疏松，引起抗侵蝕性急劇降低。綜合考慮試樣的抗侵蝕性和抗?jié)B透性，燒結(jié)鎂砂加入量5%(w)時抗侵蝕性能最好。
綜上所述，當(dāng)燒結(jié)鎂砂加入量為5%(w)時試樣的綜合性能較好，此時，MgO含量為4.8%(w)。
2.2 MgO引入形式對座磚性能的影響
MgO引入形式對座磚物理性能的影響
(1) 烘干和中溫處理后，以電熔尖晶石的形式引入MgO試樣Z4的體積密度最大，顯氣孔率最小。主要是因?yàn)殡娙奂饩蜔Y(jié)鎂砂相比顯氣孔率較低。
(2) 烘干后試樣由于燒結(jié)鎂砂的水化作用導(dǎo)致單獨(dú)加入燒結(jié)鎂砂的試樣烘干強(qiáng)度稍高。復(fù)合加入電熔尖晶石和燒結(jié)鎂砂試樣的熱處理后強(qiáng)度較高。與單獨(dú)加入尖晶石相比，電熔鎂砂原位生成尖晶石，增強(qiáng)了基質(zhì)的結(jié)合強(qiáng)度，導(dǎo)致強(qiáng)度較高;與單獨(dú)加入燒結(jié)鎂砂相比，原位生成尖晶石的體積效應(yīng)較小，由于體積效應(yīng)產(chǎn)生的微裂紋較小，強(qiáng)度較高。
(3)單獨(dú)加入燒結(jié)鎂砂試樣Z2的抗折強(qiáng)度保持率最高。主要是原位生成尖晶石的體積效應(yīng)產(chǎn)生微裂紋，消弱了由于溫度變化而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。
(4)復(fù)合加入燒結(jié)鎂砂和電熔尖晶石試樣Z5的抗侵蝕性和抗?jié)B透性最好，主要是因?yàn)閺?fù)合加入形式能原位生成尖晶石，促進(jìn)燒結(jié)，同時和外加的尖晶石相比具有更好的均勻性和活性，吸收熔渣中氧化鐵的速度更快，熔渣的黏度變化更迅速;與單獨(dú)加入燒結(jié)鎂砂相比，內(nèi)部微裂紋較少，基質(zhì)和骨料的結(jié)合更致密。
綜上所述，復(fù)合加入燒結(jié)鎂砂和電熔尖晶石能有效地改善試樣的綜合性能。
現(xiàn)場使用
根據(jù)以上的試驗(yàn)結(jié)果分析，選取綜合性能較好的配方Z5進(jìn)行生產(chǎn)，在南方某鋼廠進(jìn)行試驗(yàn)。該鋼廠鋼包容量為150t，鋼水在鋼包停留時間為4.5h左右，精煉時間為40min左右，鋼水澆鑄時間為50min左右，LF精煉比占30%，LF+RH精煉比占70%，所煉鋼種都為精煉鋼，試驗(yàn)鋼種為鉚螺鋼。
使用結(jié)果表明，鋼包座磚使用壽命由原來的40爐提高到50爐，實(shí)現(xiàn)了與鋼包同步，有效提高了鋼包的平均使用壽命。
結(jié)論
(1) 在剛玉質(zhì)座磚中引入MgO，雖然會降低試樣的體積密度，提高其顯氣孔率，但是MgO的引入能顯著地提高試樣的強(qiáng)度，并隨著MgO加入量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化，試樣的抗熱震性和抗渣性均有所改善。
(2) 選擇配方Z5，即燒結(jié)鎂砂和電熔尖晶石以復(fù)合的形式引入時，試樣的強(qiáng)度提高，抗侵蝕性提高，其綜合性能最好。
(3)按照Z5配方進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)，經(jīng)過現(xiàn)場使用表明，燒結(jié)鎂砂和電熔尖晶石復(fù)合引入時，座磚的使用壽命有明顯提高。
在冶煉品種鋼使用時，傳統(tǒng)剛玉質(zhì)和剛玉尖晶石質(zhì)鋼包座磚普遍出現(xiàn)使用壽命低、難以和鋼包同步的現(xiàn)象。經(jīng)分析，鋼包座磚損毀的主要原因是鋼水的沖刷、侵蝕及熱震損毀。因此，通過材質(zhì)優(yōu)化開發(fā)精煉鋼用高性能、高壽命鋼包座磚是解決鋼包使用壽命的主要途徑。本工作中，在剛玉質(zhì)座磚的基礎(chǔ)上，首先以燒結(jié)鎂砂的形式引入一定量的MgO，以期原位生成尖晶石來提高座磚的抗?jié)B透性，并研究MgO加入量的變化對座磚性能的影響。由于單獨(dú)加入鎂砂可能會因?yàn)殒V砂原位生成尖晶石發(fā)生體積效應(yīng)而對產(chǎn)品的性能有不利影響，因此，隨后改變MgO的引入方式，研究其對座磚綜合性能的影響。
試驗(yàn)
1.1原料及試樣制備
試驗(yàn)用原料有板狀剛玉(8～5、5～3、3～1、≤1和≤0.044mm)、燒結(jié)鎂砂(≤0.088mm)、電熔尖晶石(≤0.088mm)、α-Al2O3微粉，結(jié)合劑為鋁酸鈣水泥，采用高效減水劑。主要原料的化學(xué)組成見表1。
? 首先將干料混合均勻，然后加入高效減水劑和適量的水，攪拌均勻后振動成型為40mm×40mm×160mm的條樣和外部尺寸為100/90mm×100mm、內(nèi)孔尺寸為50/44mm×60mm的坩堝，脫模后自然養(yǎng)護(hù)24h，經(jīng)110℃保溫24h烘干后，再分別在1100和1550℃保溫3h熱處理。
表2試驗(yàn)配方
1.2 性能檢測
對烘干和熱處理后的條形試樣，按照YB/T5200—1993測其顯氣孔率和體積密度，按GB/T3001—2007測常溫抗折強(qiáng)度，按GB/T5072—2008測常溫耐壓強(qiáng)度，按GB/T5988—2007測加熱永久線變化，按GB/T3002—2004測高溫抗折強(qiáng)度(1550℃保溫1h)。
抗渣試驗(yàn):采用靜態(tài)坩堝法。坩堝裝入一定量的轉(zhuǎn)爐渣，在空氣氣氛下于1550℃保溫5h熱處理，剖開后觀察渣的滲透和侵蝕情況，以滲透深度和侵蝕指數(shù)(侵蝕面積÷侵蝕前試樣面積×100%)表征抗渣性的優(yōu)劣。渣的化學(xué)組成(w)為:CaO50.34%，SiO29.93%，Al2O325.16%，MgO8.42%，T.Fe1.20%。
抗熱震性:將1550℃保溫3h熱處理后的條形試樣經(jīng)過1100℃保溫20min后，風(fēng)冷15min。重復(fù)此過程3次后，測試計算試樣的抗折強(qiáng)度保持率(熱震后抗折強(qiáng)度÷熱震前抗折強(qiáng)度×100%)。
結(jié)果與討論
2.1 燒結(jié)鎂砂加入量對座磚性能的影響
2.1.1燒結(jié)鎂砂加入量對座磚物理性能的影響
燒結(jié)鎂砂加入量對座磚物理性能的影響
(1) 隨著燒結(jié)鎂砂加入量的增加，成型加水量呈增加趨勢。這一方面是因?yàn)榘鍫顒傆竦奈时葻Y(jié)鎂砂的高，另一方面是因?yàn)闊Y(jié)鎂砂會發(fā)生水化而導(dǎo)致加水量增加。烘干和熱處理后試樣的體積密度均呈下降趨勢，顯氣孔率均呈增加趨勢。一方面因?yàn)榧铀康脑黾?，另一方面因?yàn)闊崽幚磉^程中生成尖晶石時產(chǎn)生體積膨脹導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生。
(2) 烘干后試樣的強(qiáng)度呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢，主要是因?yàn)镸gO水化后生成具有結(jié)合性能的Mg(OH)[8]2;熱處理后，引入適量的燒結(jié)鎂砂能有效地提高試樣的強(qiáng)度，主要因?yàn)榧尤胍欢康臒Y(jié)鎂砂在熱處理過程中會生成適量尖晶石;但是，當(dāng)燒結(jié)鎂砂加入量超過4%(w)時，由于尖晶石生成量過多，致使微裂紋部分?jǐn)U展成破壞性裂紋，導(dǎo)致試樣強(qiáng)度明顯下降。
(3)隨著燒結(jié)鎂砂加入量的增加，加熱永久線變化呈增加趨勢，因?yàn)闊崽幚磉^程中尖晶石生成會產(chǎn)生體積膨脹。
2.1.2燒結(jié)鎂砂加入量對座磚抗熱震性的影響
燒結(jié)鎂砂加入量對座磚抗熱震性(1100℃，風(fēng)冷3次)的影響如圖1所示?？梢钥闯?，隨著燒結(jié)鎂砂加入量的增加，抗折強(qiáng)度保持率呈逐漸增加的趨勢。因?yàn)闊Y(jié)鎂砂原位生成尖晶石發(fā)生體積膨脹而產(chǎn)生微裂紋，微裂紋一方面能有效地緩沖試樣在溫度急劇變化過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，另一方面能阻礙裂紋的擴(kuò)展。
2.1.3燒結(jié)鎂砂加入量對座磚抗渣性的影響
燒結(jié)鎂砂加入量對座磚抗渣性的影響如表4所示。從表4可以看出，隨著燒結(jié)鎂砂的增加，試樣的侵蝕指數(shù)呈現(xiàn)先降低后急劇增加的趨勢，滲透深度逐漸減小。根據(jù)CaO-SiO2-MgO三元相圖可知，MgO和熔渣中的CaO、SiO2共融溫度較高，難以形成低熔點(diǎn)物;同時，原位生成的尖晶石活性較高，能快速吸收熔渣中的氧化鐵形成尖晶石固溶體，降低了熔渣中的鐵含量，從而提高了熔渣的黏度，熔渣的滲透減弱，進(jìn)而使抗侵蝕性有所提高。當(dāng)燒結(jié)鎂砂加入量過多時，由于體積效應(yīng)過大，試樣內(nèi)部裂紋過多而疏松，引起抗侵蝕性急劇降低。綜合考慮試樣的抗侵蝕性和抗?jié)B透性，燒結(jié)鎂砂加入量5%(w)時抗侵蝕性能最好。
綜上所述，當(dāng)燒結(jié)鎂砂加入量為5%(w)時試樣的綜合性能較好，此時，MgO含量為4.8%(w)。
2.2 MgO引入形式對座磚性能的影響
MgO引入形式對座磚物理性能的影響
(1) 烘干和中溫處理后，以電熔尖晶石的形式引入MgO試樣Z4的體積密度最大，顯氣孔率最小。主要是因?yàn)殡娙奂饩蜔Y(jié)鎂砂相比顯氣孔率較低。
(2) 烘干后試樣由于燒結(jié)鎂砂的水化作用導(dǎo)致單獨(dú)加入燒結(jié)鎂砂的試樣烘干強(qiáng)度稍高。復(fù)合加入電熔尖晶石和燒結(jié)鎂砂試樣的熱處理后強(qiáng)度較高。與單獨(dú)加入尖晶石相比，電熔鎂砂原位生成尖晶石，增強(qiáng)了基質(zhì)的結(jié)合強(qiáng)度，導(dǎo)致強(qiáng)度較高;與單獨(dú)加入燒結(jié)鎂砂相比，原位生成尖晶石的體積效應(yīng)較小，由于體積效應(yīng)產(chǎn)生的微裂紋較小，強(qiáng)度較高。
(3)單獨(dú)加入燒結(jié)鎂砂試樣Z2的抗折強(qiáng)度保持率最高。主要是原位生成尖晶石的體積效應(yīng)產(chǎn)生微裂紋，消弱了由于溫度變化而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。
(4)復(fù)合加入燒結(jié)鎂砂和電熔尖晶石試樣Z5的抗侵蝕性和抗?jié)B透性最好，主要是因?yàn)閺?fù)合加入形式能原位生成尖晶石，促進(jìn)燒結(jié)，同時和外加的尖晶石相比具有更好的均勻性和活性，吸收熔渣中氧化鐵的速度更快，熔渣的黏度變化更迅速;與單獨(dú)加入燒結(jié)鎂砂相比，內(nèi)部微裂紋較少，基質(zhì)和骨料的結(jié)合更致密。
綜上所述，復(fù)合加入燒結(jié)鎂砂和電熔尖晶石能有效地改善試樣的綜合性能。
現(xiàn)場使用
根據(jù)以上的試驗(yàn)結(jié)果分析，選取綜合性能較好的配方Z5進(jìn)行生產(chǎn)，在南方某鋼廠進(jìn)行試驗(yàn)。該鋼廠鋼包容量為150t，鋼水在鋼包停留時間為4.5h左右，精煉時間為40min左右，鋼水澆鑄時間為50min左右，LF精煉比占30%，LF+RH精煉比占70%，所煉鋼種都為精煉鋼，試驗(yàn)鋼種為鉚螺鋼。
使用結(jié)果表明，鋼包座磚使用壽命由原來的40爐提高到50爐，實(shí)現(xiàn)了與鋼包同步，有效提高了鋼包的平均使用壽命。
結(jié)論
(1) 在剛玉質(zhì)座磚中引入MgO，雖然會降低試樣的體積密度，提高其顯氣孔率，但是MgO的引入能顯著地提高試樣的強(qiáng)度，并隨著MgO加入量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化，試樣的抗熱震性和抗渣性均有所改善。
(2) 選擇配方Z5，即燒結(jié)鎂砂和電熔尖晶石以復(fù)合的形式引入時，試樣的強(qiáng)度提高，抗侵蝕性提高，其綜合性能最好。
(3)按照Z5配方進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)，經(jīng)過現(xiàn)場使用表明，燒結(jié)鎂砂和電熔尖晶石復(fù)合引入時，座磚的使用壽命有明顯提高。
