钛铁渣加入量对Al2O3-SiC-C铁沟浇注料性能的影响.pdf

为合理利用钛铁渣进而缓解资源紧张，以矾土熟料、致密刚玉、微粉、微粉、粉为主要原料，添加质量分数分别为 、和 的钛铁渣等量替代矾土熟料，于 保温 热处理后制备了 浇注料，研究钛铁渣的加入量对浇注料性能的影响。结果表明：）随着钛铁渣加入量的增多，浇注料的体积密度降低，显气孔率增加，常温强度总体呈下降趋势，但同时会在一定程度上提高浇注料的高温抗折强度和抗热震性；）钛铁渣的引入带来过多的气孔为氧气的扩散提供了更多通道，且经氧化处理后由钛铁渣引入的杂质会生成较多液相，使得浇注料结构疏松，显著降低抗氧化性能；）钛铁渣与熔渣反应会生成镁铝尖晶石，能够阻止熔渣的进一步侵蚀，提高其抗渣侵蚀性。综合考虑，钛铁渣的最佳加入量为 （）。关键词：钛铁渣；矾土熟料；浇注料；抗氧化性；抗热震性中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：钛铁渣是冶炼钛铁合金产生的废渣，主要物相为六铝酸钙、二铝酸钙和钛酸钙 ，具有耐火度高、硬度高、热膨胀系数小、热导率低等优点，可作为耐火原料使用。李璐等 在矾土基浇注料中引入钛铁渣，发现添加钛铁渣的浇注料，经低温、中温及高温处理后均具备良好的性能。姜晟等 在 铁沟浇注料中以钛铁渣替代棕刚玉，研究发现当钛铁渣的替代率小于 （）时，浇注料的氧化率变化不大。铁沟浇注料具有优异的抗渣、抗氧化、抗冲刷、抗热震等性能 ，被广泛应用于高炉出铁沟。浇注料的铝源主要来自棕刚玉和矾土，而这两种原料成本较高且开采不易，若以廉价的钛铁渣替代 铁沟浇注料中的矾土熟料，不仅可以降低成本，还可对钛铁渣进行回收利用。因此，本工作中拟在 铁沟浇注料中引入钛铁渣替代其中的矾土熟料，研究钛铁渣对浇注料性能的影响。试验 原料试验主要原料为：矾土熟料和钛铁渣，粒度均为 、；致密刚玉，（），粒度、；，（），粒度、；微粉，（），；微粉，（），；粉，（），粒度 ；水泥，（）；球状沥青等。矾土熟料和钛铁渣的理化性能见表 。表 主要原料的理化性能原料 显气孔率 体积密度（）矾土熟料 钛铁渣 试样制备按表 配料后在搅拌机中干混 ，再加入占干料质量 的水湿混 ，振动浇注成型为 的长条样和 年 月第 卷 第 期 龙图：男，年生，博士研究生。：通信作者：顾华志，男，年生，博士，教授。：收稿日期：编辑：李畅 耐火材料 ：、中心有 孔芯的立方体坩埚样，室温下养护 后脱模，再将试样置于 烘箱中干燥 。长条试样在埋碳还原气氛下 保温 热处理，自然冷却后用于常规性能检测；立方体坩埚样在空气气氛下 保温 热处理，得到的烧后试样用于抗渣试验。表 试样配比原料 试样 试样 试样 试样 试样 试样 矾土熟料 钛铁渣 致密刚玉 微粉 粉 微粉 水泥 球状沥青 性能检测采用 型扫描电镜分析试样的显微结构；分 别 按 、检测试样的加热永久线变化、常温抗折强度、常温耐压强度、体积密度和显气孔率；按 检测试样的高温抗折强度（，）。抗热震性：按 将热处理后长条试样再经 水冷热震 次后，测试样热震后的常温抗折强度，计算抗折强度保持率。抗氧化性：条状试样于空气气氛下经 保温 ，自然冷却后测量试样断面的氧化面积及总面积，以氧化率（氧化面积占总面积的百分比）表征试样的抗氧化性。抗渣性：采用静态坩埚法，在坩埚试样的内孔中加入 的高炉渣，于空气气氛下经 保温，冷却后沿坩埚中心轴切开。计算出坩埚剖面面积和被炉渣侵蚀的面积，被炉渣侵蚀的面积占坩埚剖面面积的百分比为侵蚀指数。高炉渣的化学组成（）为：，。结果与分析 常规物理性能钛铁渣加入量对烧后试样体积密度、显气孔率的影响见图 。由图可知：随钛铁渣加入量的增大，烧后试样的体积密度略微下降，显气孔率显著增大。结合表 可知，这是由于原料本身的差异，钛铁渣骨料的体积密度相对较低，显气孔率相对较高，因此其含量增加，致使浇注料显气孔率增大。钛铁渣加入量对烧后试样加热永久线变化的影响见图 。由图可知：经 保温 热处理后，各试样均出现膨胀；且随着钛铁渣加入量的增大，烧后试样的线变化率逐渐增大。分析认为：氧化铝与二铝酸钙反应生成六铝酸钙，伴随一定的体积膨胀；此外，钛铁渣中存在少量的金属杂质，在氧化过程中产生一定程度的体积膨胀。图 钛铁渣加入量对烧后试样体积密度和显气孔率的影响图 钛铁渣加入量对烧后试样加热永久线变化的影响钛铁渣加入量对浇注料常温强度的影响见图 。由图 可知：随钛铁渣加入量的增加，烧后试样的常温抗折强度呈现先升高再降低的趋势，而其常温耐压强度逐渐降低。分析认为：加入一定量的钛铁渣可促进液相的生成；而随着钛铁渣加入量的增多，试样体积膨胀和显气孔率增大，导致试样常温强度降低。当钛铁渣加入量为 （）时，烧后试样的常温抗折强度达到最大值，约 。耐火材料 年第 卷 ：耐火材料 图 钛铁渣加入量对烧后试样常温强度的影响钛铁渣加入量对烘后试样高温抗折强度的影响见图 。由图可知：随着钛铁渣加入量的增加，烘后试样的高温抗折强度逐渐增大；当钛铁渣全部替代矾土熟料时，烘后试样的高温抗折强度最高，为 。这是因为钛铁渣中的杂质在高温下与基质部分发生反应，生成一定的液相促进烧结过程，加强颗粒与基质间的结合，提高高温抗折强度。图 钛铁渣加入量对烘后试样高温抗折强度的影响烧后试样的抗热震性见图 。由图 可知，加入钛铁渣的试样热震后的常温抗折强度及抗折强度保持率均优于矾土熟料试样的，且随着钛铁渣加入量的增加，烧后试样热震后的常温抗折强度与抗折强度保持率均呈现先增大后减小再增大的趋势。分析认为：）未添加钛铁渣时，矾土熟料试样相对致密，在热震试验时会引起应力集中导致试样断裂，因此热震后的抗折强度及抗折强度保持率最低；）少量钛铁渣的引入使得试样中的微裂纹增多，进而减小试样内部的热应力，防止裂纹的扩展，提高试样的抗热震性；）随钛铁渣加入量的增大，试样中骨料与基质的结合性变差，微裂纹形成主裂纹，受到热应力时强度降低，试样抗热震性降低；）钛铁渣加入量进一步增大，促使试样中液相量增加，液相的二次烧结作用及钙长石相优良的抗热震性 ，有助于提高试样的抗热震性。综上所述，烧后试样热震后的常温抗折强度在钛铁渣加入量为 （）时达到最大，抗折强度保持率在钛铁渣加入量为 （）时达到最大。图 烧后试样的抗热震性 抗氧化性经 氧化 后试样 试样 的氧化率为 、，试样 的氧化程度最大。这是因为引入钛铁渣后，浇注料中的杂质增加，经氧化处理后生成的钙长石等低熔点相增多，导致浇注料结构疏松、抗氧化性逐渐降低；此外，钛铁渣的引入增大了浇注料的气孔率，为氧气进入浇注料内部提供了更多的通道，导致试样抗氧化性降低。抗渣侵蚀性试样 试样 的渣侵蚀指数分别为 、。组浇注料试样均具有优异的抗渣性，在抗渣侵蚀试验后试样整体结构均较为完整，熔渣与浇注料的界限清晰，浇注料渣 空气 相的交界面为侵蚀较为严重的区域。其中，抗渣侵蚀性最好的浇注料试样为钛铁渣加入量为 （）的试样 ，其被渣侵蚀的区域最小，侵蚀指数最小。抗渣试验后坩埚试样 的 照片及图中各区域的能谱分析结果分别见图 与表 。可知：渣层的主要物相为钙铝黄长石（区域 ）和钙长石（区域 ）。由于渣中高含量的氧化镁，在渣侧和钛铁渣反应生成镁铝尖晶石（区域 ），形成一层保护层阻止渣的进一步侵蚀，对骨料起到保护作用，使钛铁渣骨料保留完整形貌。在钛铁渣骨料内部的主要物相为六铝酸钙（区域 ），内部并未发现 的渗透，表明钛铁渣的引入使浇注料试样具有较好的抗渣性。第 期龙 图，等：钛铁渣加入量对 铁沟浇注料性能的影响 年 月 耐火材料 ：图 抗渣试验台坩埚试样 的 照片表 图 中各点的能谱分析结果区域 点 点 点 点 结论（）随着钛铁渣加入量的增多，浇注料的体积密度略微降低，显气孔率增加，常温强度总体呈下降趋势，但浇注料的高温抗折强度和抗热震性得到提高。（）引入钛铁渣带来过多的气孔为氧气的扩散提供了更多通道，使得浇注料结构疏松，显著降低抗氧化性能；钛铁渣与熔渣反应会生成镁铝尖晶石，能够阻止熔渣的进一步侵蚀，提高其抗渣侵蚀性。综合考虑，钛铁渣的最佳加入量为 （）。参考文献 郭梦真，梁永和，聂建华，等 钛铁渣制备含 复合材料及其反应动力学 耐火材料，（）：王立锋 钛铝酸钙的性能及其应用基础研究 武汉：武汉科技大学，王立锋，赵惠忠，冯立，等 微粉加入量对钛铝酸钙烧结性能的影响 耐火材料，（）：欧阳军华，张兰芹，邱文冬，等 钛铝酸钙加入量对高铝浇注料性能的影响 耐火材料，（）：梁小龙，王子军，王义龙，等 钛铝酸钙加入量对铝镁浇注料性能的影响 工业炉，（）：陈惠子，陈建威，赵惠忠，等 钛铝酸钙 矾土 碳化硅复相耐火材料的制备与表征 全国耐火原料学术交流会论文集，天津，：李晨晨，王凌云，梁永和，等 转炉出铜沟用新型环保浇注料的研制 耐火材料，（）：陈建威，陈惠子，赵惠忠，等 系合成料的微观结构演变与性能表征 全国耐火原料学术交流会论文集，天津，：李璐，王健东，杨晓峰，等 钛铝酸钙加入量对矾土基浇注料性能的影响 耐火材料综合学术年会（第十三届全国不定形耐火材料学术会议和 耐火原料学术交流会）论文集，青岛，：姜晟，聂建华，邱文冬，等 钛铝酸钙加入量对出铁沟浇注料抗氧化性的影响 耐火材料，（）：耐火材料 年第 卷 ：耐火材料 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，（）：罗琼，陈庆洁，鄢文，等 均质矾土骨料对 铁沟浇注料性能的影响 耐火材料，（）：张婷，韩兵强，杨威，等 红柱石加入量对均化矾土基 浇注料性能的影响 耐火材料，（）：陈建威 钛铝酸钙 矾土 碳化硅复相耐火材料制备与性能研究 武汉：武汉科技大学，（）：，：；：，第 期龙 图，等：钛铁渣加入量对 铁沟浇注料性能的影响 年 月