CaO添加量对中频炉用铝镁质干式捣打料性能的影响.pdf

：耐火材料 添加量对中频炉用铝镁质干式捣打料性能的影响胡 灯）张 寒）黄学忠）刘红波）赵惠忠）武汉科技大学 省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室湖北武汉 ）广西北港新材料有限公司广西北海 ）山东圣川新材料科技股份有限公司山东淄博 摘要：为提高中频感应炉的使用寿命，以电熔刚玉、电熔镁砂为主要原料，为烧结添加剂，采用捣打成型的方式制备了铝镁质干式捣打料。研究 添加量（加入质量分数分别为 、）对铝镁质干式捣打料经 热处理 后的物相组成、烧结性能及显微结构的影响。结果表明：适量的 能促进铝镁质干式捣打料的烧结，常温耐压强度得到了明显的改善，其原因在于 与 反应生成六铝酸钙（），穿插于刚玉相与尖晶石相之间，提高了捣打料的强度；当 添加量为 （）时，经 热处理后的捣打料综合性能最好，其线膨胀率为 ，体积密度为 ，显气孔率为 ，常温耐压强度为 。关键词：中频炉；铝镁质干式捣打料；烧结性能；耐压强度中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：中频感应熔炼炉因具有灵活、节能、高效、低污染和成分易调节等优点被广泛应用于铸造、炼钢和有色熔炼等领域 。炉衬耐火材料大多采用干式捣打料 ，分为酸性、碱性和中性捣打料三种 。碱性捣打料主要采用镁质耐火材料，具有耐侵蚀性优良、熔点高、不与碱性渣反应等优点，但镁质捣打料膨胀系数大、抗热震性差，作业中容易导致炉衬产生龟裂和剥落。酸性捣打料主要采用硅质耐火材料，具有原料易获取和价格低廉等优点，但 在加热过程中容易发生复杂的晶型转变而引发体积效应 。中性捣打料主要采用刚玉质耐火材料，具有耐高温、抗渣侵蚀性好、不影响钢水质量和施工时间短等优点，被广泛应用于合金冶炼，但刚玉质捣打料还存在难以烧结及热膨胀率较高等缺点 。目前中频炉炉衬主要采用中性的铝镁质干式捣打料，其主要原料为刚玉和镁砂，在高温下生成镁铝尖晶石（）产生一定的体积膨胀，能有效抑制炉衬工作层的龟裂，延长炉衬的寿命。目前对干式捣打料的研究中，主要是通过引入不同种类的烧结剂如硼砂、等来促进烧结，提高捣打料的强度，但这类烧结剂在高温下容易产生低熔点相，容易在中频炉炉衬作业时造成结构剥落 。六铝酸钙（）是一种抗熔渣侵蚀性能优异的高熔点化合物，其与 有很好的化学相容性和相近的热膨胀性能，通常被作为增韧相引入到氧化铝材料中，以提高材料的力学性能 。故考虑向铝镁质干式捣打料中引入 作为烧结剂，使其在高温下生成 来提高材料高温性能，此外 对铝镁质捣打料烧结性能与微观结构等影响也未见详细报道。为此，采用电熔刚玉、电熔镁砂为主要原料，以 （）作为钙源制备 ，研究 的加入量对铝镁质干式捣打料物相组成、烧结性能及显微结构的影响。试验 试样制备试验主要采用 （）的电熔刚玉（粒度为 、和 ）和（）的电熔镁砂（粒度为 和 ）为原料。以纯度 （）的 （）作为钙源，经 热处理 后制备 ，作为烧结添加剂。试样配比见表 。首先按表 进行配料并混匀。然后在刚玉砖（）中钻出 年 月第 卷 第 期 胡：男，年生，硕士研究生。：通信作者：张寒，男，年生，博士，副教授。：收稿日期：编辑：张子英 耐火材料 ：的圆柱形孔洞形成坩埚模具，将混合料分层装入刚玉坩埚模具中并捣打紧实。将试样连同坩埚模具一起置于高温炉中，在 热处理，待其自然冷却至室温后切割脱模，取出试样。表 试样配比原料 试样 试样 试样 试样 试样 电熔刚玉 电熔镁砂 （外加）性能检测经 热处理 后的试样，按 检测加热永久线变化，按 检测显气孔率和体积密度，按 检测常温耐压强度。通过 射线衍射仪（，）分析热处理后试样的物相组成，以 为辐射源，工作电压为 ，工作电流为 ，连续扫描速度为 ，扫描范围为 ，并采用 进行半定量计算得出各组试样的物相含量。通过扫描电子显微镜（，）观察试样的显微结构，并通过能谱仪（，）对试样进行元素分析。结果与分析 物相组成不同 添加量试样热处理后的 图谱见图 ，对应试样的物相含量见表 。从图 可以看出，各组试样中都存在着少量的方镁石相，可能是由于试样中存在的小颗粒（）电熔镁砂未反应完全。其中未添加 的空白样 的主要物相为镁铝尖晶石（）和刚玉，而添加了 的试样的主要物相为 、刚玉和 。由表 可知，空白试样 中的 相明显低于添加了 的试样 的，试样 中的未反应完全的方镁石相则高于其他试样的，表明 的添加促进了铝镁质捣打料中 的生成。的生成量随着 添加量的增加而增加，刚玉相含量相应减少。这是由于随着 添加量的增加，与 反应生成的 也增多，而反应过程中消耗的 也就更多。结合图 的 图谱可看出，在（）晶面（）、（）晶面（）以及（）晶面（）的衍射峰随着 添加量的增加而显著升高，刚玉（）晶面的衍射峰随着 加入量的增加而降低。图 不同 添加量试样热处理后的 图谱表 不同 添加量试样热处理后的物相含量试样 刚玉方镁石 因为表 中试样 中原位生成 的量最多，故以试样 作为研究对象，按照 的配料组成制备一批试样，分别在 下热处理，研究试样 在升温过程中的物相及其含量变化。其 图谱如图 所示，试样的物相含量见表 。图 试样 经不同温度热处理 后的 图谱由图 和表 可知，与 在 下开始反应生成 ，随着热处理温度的升高，生成的 含量增多。同时，试样中的 也会与 在耐火材料 年第 卷 ：耐火材料 下反应生成 （）。当温度升到 时，试样中的 与 发生反应全部生成 ，至此试样中的铝钙系产物仅有 。表 试样 经不同温度热处理 后的物相含量温度 刚玉方镁石 物理性能不同 添加量试样热处理后的物理性能见图 。可以看到，随着 添加量的增加，试样的体积密度和常温耐压强度先增加后减少，显气孔率和加热永久线变化先降低后增加，试样均表现为膨胀。且当 添加量为 （）时，试样的体积密度最大，为 ，显气孔率最小，为 ，耐压强度最高，为 ，此时试样最为致密。这是因为在 体系中，与 的反应最终产物为 ，高温下 以片状晶穿插于刚玉与 之间，有一定的促烧结作用，提升了试样的致密性，试样的耐压强度得以增强。当 添加量大于 （）时，随着 添加量的增加，试样中生成的 相增多，消耗了更多的 ，导致 的生成量减少。而生成过多的 产生的体积膨胀又将降低捣打料的致密性，使其显气孔率及加热永久线变化升高，体积密度和耐压强度降低。图 添加量与试样热处理后物理性能的关系 显微结构图 为不同 添加量试样经 热处理后的 照片及面扫描照片。可以看出试样 内部结构疏松多孔，颗粒间存在较多孔隙，尖晶石主要形成于基质部分和刚玉颗粒的边界处，如图 （）所示。当 添加量为 （）时，试样 中片层状 少量生成，主要富集于刚玉骨料的颗粒边缘处。当 添加量为 （）时，试样 内部气孔减少，基质间烧结情况改善，尖晶石晶粒尺寸明显长大，且呈规则的八面体形貌，说明当 加入量为图 不同 添加量试样的 照片及面扫描第 期胡 灯，等：添加量对中频炉用铝镁质干式捣打料性能的影响 年 月 耐火材料 ：（）时已有一定的促烧结作用。随着 添加量的增大，刚玉骨料颗粒边缘处的 层厚度随之增大，板片状的 穿插在尖晶石与刚玉之间。从图 （）中可以看到，刚玉颗粒边缘处有明显的分层。试样 的 面扫描（见图 （）发现 和 元素的富集区域分别位于刚玉颗粒的表层及内层，结合表 可知，点 处为 层，点 处为 层，点 处为刚玉层。这是因为基质中的 首先在刚玉颗粒表面反应生成了 ，然后基质中的 进入到 层内部与刚玉反应生成了 ，而 及 的生成均会发生较大的体积膨胀，当加入一定量的 时，与 一起形成了稳固的包覆结构，提升了材料的强度。当加入过量的 时，会与刚玉反应生成更多的 ，使能与 反应的刚玉减少，的生成量减少，导致试样的致密性变差。表 图 （）中各点的 分析结果区域 点 点 点 结论（）引入适量的 可以改善铝镁质干式捣打料的烧结，显著提高耐压强度，当 添加量为 （）时，试样具有良好的综合性能，其线膨胀率为 ，显气孔率为 ，体积密度为 ，耐压强度为 。（）的引入通过在刚玉骨料的颗粒边缘处生成板片状 层，并穿插于刚玉和 之间形成稳固的包覆结构，从而提升材料的力学性能。参考文献 方斌祥，喻燕，高雄，等 真空中频炉用铝镁质干式捣打料残料的显微结构特征 耐火材料，（）：张品为，李享成，朱伯铨 微粉加入量对刚玉干式捣打料性能的影响 耐火材料，（）：李享成，朱伯铨，王峰裕 石英晶粒度对石英捣打料性能的影响 耐火材料，（）：张正富，徐自伟，王永利 无芯中频感应炉用干式捣打料的研究进展 耐火材料，（）：丁双双，祝洪喜，邓承继，等 热处理温度对铝镁质干式捣打料性能的影响 耐火材料，（）：丁双双，祝洪喜，邓承继，等 氧化镁加入量对铝镁质干式捣打料性能的影响 硅酸盐通报，（）：柴志南，邓承继，丁双双，等 微粉加入量对铝镁质捣打料性能的影响 耐火材料，（）：姜广森，聂建华，李洪波，等 尖晶石微粉对铝镁质干式捣打料性能的影响 耐火材料，（）：夏忠锋，王周福，王玺堂，等 刚玉 尖晶石浇注料基质的物相及结构演变过程 耐火材料，（）：，（）：，（）：，（，），（），：；：，耐火材料 年第 卷