锂辉石粒度对Al2O3-SiC-C浇注料性能的影响.pdf

为了进一步改善高炉出铁沟用 浇注料的性能，以棕刚玉、致密刚玉、碳化硅、铝酸钙水泥、球沥青、微粉、微粉等为主要原料，在传统抗氧化剂（粉和 粉）的基础上，分别加入 （）不同粒度（粒度分别为 、和 ）的锂辉石粉为抗氧化剂，经 热处理制备了 浇注料，研究了锂辉石粒度对其性能的影响。结果表明：随着锂辉石的添加及粒度的减小，热处理后试样残留碳化硅的量减小，显气孔率显著降低，高温性能和抗氧化性能显著提高；但当加入粒度较小的锂辉石时，试样中的 晶须生成量较多，并且具有更大的长径比，这明显改善了试样的力学性能。在 浇注料中加入 的锂辉石，可以显著改善试样的抗氧化性和综合性能。关键词：浇注料；锂辉石；晶须；抗氧化性中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：浇注料因具有良好的抗渣侵蚀性能、耐渣铁冲刷性能和抗热震性能而被广泛应用在高炉炼铁出铁沟 。但随着高炉冶炼技术的不断提高，对 浇注料也提出了更高的要求。众所周知，碳组分是影响 浇注料性能的关键因素 。然而，由于目前 浇注料中抗氧化剂的作用温度区间相对分散，导致其中碳氧化相对严重，降低了材料的使用性能 。黄健等 将 粉添加到 浇注料中，材料的抗氧化性能明显提升，另外生成的 促进了试样的烧结并堵塞了试样的气孔，但生成的 造成了试样的体积膨胀。涂军波等 将 添加到 质浇注料中，发现 在空气气氛下氧化反应生成的液相能够促进烧结，提高材料的抗氧化效果，也进一步抑制了 等含碳材料的氧化。等 用复合抗氧化剂 获得了良好的抗氧化效果。唐威等 在莫来石 刚玉质浇注料中引入红柱石可以提高其抗氧化性，但是，由于红柱石的强度低于棕刚玉的，导致浇注料的强度降低。如何兼具较好的抗氧化性和高强度是目前 浇注料亟待解决的问题。锂辉石可抵抗正极材料中 的侵蚀，同时具有特殊的晶体结构，具有很低的热膨胀系数（），能作为材料的助烧剂降低材料的烧结温度，以及改善材料的抗热震性能 ，因此被广泛用在高温材料中。在前期的研究中，已经证明了锂辉石可以作为抗氧化剂加入到 浇注料中，降低了浇注料试样的烧结温度，改善了试样的致密化程度，显著提高了试样的抗氧化性和抗热震性能，并确定了锂辉石的加入量。在本工作中，探究了锂辉石的粒度对 浇注料抗氧化效果、力学性能以及显微结构的影响。试验 原料试验所用的原料有：棕刚玉，粒度分别为 、和 ；碳化硅粉，粒度分别为和 ；致密刚玉，粒度为 ；锂辉石，粒 年 月第 卷 第 期 耐火材料与冶金国家重点实验室开放基金项目（）；先进耐火材料国家重点实验室公开基金项目（）。吕思维：女，年生，硕士研究生。：收稿日期：编辑：王海梅 耐火材料 ：度分别为 、和 ；铝酸钙水泥、微粉、的球沥青、微粉、粉、粉。所用锂辉石的化学组成（）为：，。试样制备及性能检测将不同粒度的锂辉石分别引入 浇注料中，具体试样配比如表 所示。按照表 的配比分别称取骨料和细粉，将配好的骨料和细粉在搅拌锅中搅拌 混匀，加入适量的水继续搅拌 。将搅拌好的料倒入模具中在振动台上振动成型为 的试样。将浇注后的试样在恒温恒湿箱（设定温度为 ，湿度为 ）中养护 后脱模，再将其放入烘箱中 烘 ，最后将烘干后的试样在空气气氛下于 保温 热处理。表 试样配比原料 试样 试样 试样 试样 棕刚玉 致密刚玉 碳化硅粉 微粉 微粉铝酸钙水泥球沥青 锂辉石 粉（外加）粉（外加）按照 检测试样的加热永久线变化，按照 检测试样的体积密度和显气孔率，按照 检测试样的常温抗折强度，按照 检测试样的常温耐压强度。按照 检测试样的抗热震性（水冷次，），以抗折强度保持率表征抗热震性。按照 检测试样的高温抗折强度（保温 ）。试样经热处理后沿横截面切开，利用 软件计算未氧化面积并计算氧化指数：()，（）式中：为氧化指数，为未氧化的面积，为试样剖面总面积。使用 场发射电子显微镜观察试样的显微结构，采用德国布鲁克 型衍射仪对热处理后试样进行物相分析。结果与讨论 物相组成与显微结构图 为加入不同粒度锂辉石试样在空气气氛下 热处理后的 图谱。从图中可以看出，添加了锂辉石的试样中出现了莫来石的衍射峰。且随着锂辉石粒度的降低，莫来石的衍射峰强度逐渐增强。原因是锂辉石添加的粒度越小，比表面积越大，越容易生成液相，促进了莫来石生成，有利于浇注料力学性能的提升 。此外，添加的锂辉石粒度越小，试样内残留碳化硅的衍射峰强度越低，即碳化硅的含量越少。图 加入不同粒度锂辉石试样在空气气氛下 热处理后的 图谱图 示出了加入不同粒度锂辉石试样在空气气氛下 热处理后氧化部分的显微结构照片。与对照组试样 相比，添加了锂辉石的试样内部气孔明显减少，且随着锂辉石粒度的减小，试样内部的气孔的数量以及孔的大小明显降低，结构更加致密。原因是随着锂辉石粒度的减小，其在试样中的分散性更好；另外锂辉石粒度越小，其比表面积越大，在热处理过程中越容易发生相变反应 ，转化为 锂辉石，生成的液相量也随之增加 ，高温熔融液相使得骨料与基质结合程度提高，结构更加致密。图 示出了加入不同粒度锂辉石试样在空气气氛下 热处理后未氧化部分的显微结构照片。与对照组试样 相比，添加了锂辉石的试样中均有 晶须生成。随着锂辉石粒度的减小，试样中的 晶须生成量增多，并且具有更大的长径比，这对浇注料的力学性能有着明显的改善作用。图 示出了加入不同粒度锂辉石试样经热震后断面的显微结构照片。从图中可以看出，未添加锂辉耐火材料 年第 卷 ：耐火材料 石的试样经过热震后内部气孔较多，并且骨料和基质之间存在着明显的裂缝。当加入锂辉石后，随着锂辉石粒度的减小，试样中骨料与基质的结合程度更高，试样更加致密化。当锂辉石粒度 时，试样 中有最多的液相生成。当引入的锂辉石粒度 时，试样 内部有适量的小孔，这些小孔有利于阻止裂纹的扩展，使裂纹断裂发生偏转和分支，耗散了应变能以延缓开裂 。图 加入不同粒度锂辉石的试样在空气气氛下 热处理后氧化部分的显微结构照片图 加入不同粒度锂辉石的试样在空气气氛下 热处理后未氧化部分的显微结构第 期吕思维，等：锂辉石粒度对 浇注料性能的影响 年 月 耐火材料 ：图 加入不同粒度锂辉石试样热震后的显微结构 物理性能当温度大于 时，锂辉石发生不可逆的相变，转化为四方晶系的高温 锂辉石，并且伴随着 的体积膨胀 。图 示出了不同粒度锂辉石试样热处理后的加热永久线变化。由于锂辉石的这一特性，在加入锂辉石后，试样经过烧结后都会有一定程度的膨胀，并且锂辉石的粒度越小，其比表面积越大，在热处理过程中越容易发生相变反应，试样所产生的线膨胀也越明显。图 加入不同粒度锂辉石试样热处理后的加热永久线变化添加不同粒度锂辉石试样热处理后的体积密度和显气孔率如图 所示。由于随着锂辉石粒度的减小，试样中生成的液相量也越多，使得显气孔率呈现明显的下降趋势，试样的结构更加致密，体积密度也略微增大。这与图 和图 所示的结果一致。图 示出了不同粒度锂辉石试样热处理后的常温强度。可知，试样的常温强度均随着锂辉石粒度的减小而呈现上升的趋势。这是由于随着锂辉石的粒度的减小，试样的显气孔率明显降低，试样体积密度升高，改善了试样的力学强度；试样中的 晶须生成量也随着锂辉石粒度的减小而增多，错综复杂的 晶须彼此搭建在基质和骨料之间，使得试样的力学性能显著提升。图 加入不同粒度锂辉石试样热处理后的体积密度和显气孔率图 加入不同粒度锂辉石试样热处理后的常温强度图 示出了加入不同粒度锂辉石试样的高温抗折强度。可以看出，随着锂辉石粒度的减小，试样的高温抗折强度呈现先增大后减小的趋势。原因是锂辉石的添加改善了试样的烧结，另外高温热处理过程耐火材料 年第 卷 ：耐火材料 中锂辉石生成的适量的液相促进了 晶须的生长，提高了试样的高温强度。而当锂辉石粒度不断减小，锂辉石的比表面积增大，生成的液相量增加，一方面造成试样内部的晶粒的异常长大，另一方面，高温抗折过程中部分液相还未完全固化，因此对材料高温抗折强度产生不利的影响。图 加入不同粒度锂辉石试样的高温抗折强度图 示出了加入不同粒度锂辉石试样热震后的常温抗折强度保持率。可以看出，随着锂辉石粒度的减小，试样热震后的常温抗折强度保持率也呈现先增加后降低的趋势。当锂辉石的粒度 时，试样的孔隙稍多，且多为小孔，适当的孔隙使裂纹断裂发生偏转和分支，可以阻碍裂纹的拓展，耗散了应变能延缓开裂。图 加入不同粒度锂辉石试样热震后的常温抗折强度保持率 抗氧化性能图 示出了加入不同粒度锂辉石试样热处理后的氧化指数。可以看出，加入锂辉石后，试样的氧化指数显著降低。并且，随着锂辉石粒度的逐渐减小，试样的氧化指数也逐渐减小。当锂辉石的粒度 时，试样的抗氧化效果最好。当添加锂辉石的粒度越小时，锂辉石在试样中分布越均匀，比表面积越大，助烧结作用更加明显 ，生成的液相量越多，越能填堵试样中原有的空隙，并且锂辉石在试样的表面还会形成一层致密的低膨胀釉层 ，阻碍了 的进入，抑制了碳和碳化硅氧化，使得试样的抗氧化性得到了进一步的提高。图 加入不同粒度锂辉石试样热处理后的氧化指数 结论随着锂辉石粒度的减小，浇注料试样在 热处理后的显气孔率显著降低。粒度较小的锂辉石比表面积更大，生成液相的速度越快，生成量也越多，促进烧结的作用更加明显，进而提高了抗氧化性。但加入锂辉石粒度小的试样高温性能有所下降，原因是锂辉石在高温过程中由 锂辉石转变成 锂辉石伴随着体积膨胀。且颗粒较小的锂辉石在转化过程中将产生更大的体积膨胀，而较大的体积膨胀将造成试样内部晶粒异常长大。在 浇注料中引入 （）的锂辉石，可以显著改善试样的抗氧化性及综合性能。参考文献 ，（）：牛春林，任林，张晓波 铝酸钙水泥种类对 质铁沟浇注料性能的影响 耐火材料，（）：张忠壮，王晓雨，马振友，等 红柱石微粉对不同 粉含量的 浇注料抗氧化性的影响 第十八届全国耐火材料青年学术报告会论文集，长沙，：赵春燕，陈茂峰，钱忠俊，等 碳源对 质出铁沟浇注料性能的影响 耐火材料，（）：李赛赛，王军凯，段红娟，等 水热碳化制备碳微球及其在 浇注料中的应用 硅酸盐学报，（）：文泽宇 晶须及 的原位生成对 浇注料性能的影响 武汉：武汉科技大学，（）：，第 期吕思维，等：锂辉石粒度对 浇注料性能的影响 年 月 耐火材料 ：，：黄健，韩兵强，鄢文，等 粉加入量对 浇注料性能的影响 耐火材料，（）：涂军波，魏军从，李朝云 加入量对 铁沟浇注料力学性能的影响 耐火材料，（）：，：，（）：唐威，张佩雄，李柳生，等 红柱石骨料粒度对莫来石 刚玉材料抗热震性的影响 耐火材料，（）：，：，（）：，（）：杨孟孟，罗旭东，谢志鹏，等 含量对莫来石多孔陶瓷显微结构和强度的影响 陶瓷学报，（）：付云鹤，夏春玲，牛峥，等 低掺量红柱石粉对 浇注料性能的影响 耐火材料，（）：石干，范沐旭，刘鹏程，等 热历史对红柱石基耐火材料性能和结构的影响 耐火材料，（）：李天伶 锂辉石的相变及其对减小烧成收缩的作用 陶瓷，（）：，（）：胡成 太阳能热发电输热管道用堇青石 锂辉石复合陶瓷材料的研究 武汉：武汉理工大学，魏闯 锂辉石对正极材料用堇青石 莫来石质匣钵材料性能的影响 郑州：郑州大学，杨帆，王淇，闵鑫，等 低品位锂辉石对铝矾土尾矿制备莫来石基复相陶瓷的影响 金属矿山，（）：徐晓阳，桑绍柏，李亚伟，等 刚玉浇注料表面高温釉层的形成及其抗碱侵蚀性能研 耐火材料，（）：，（）：，（），（，），：；：，耐火材料 年第 卷