摘 要：為了探明炭黑與Al2O3-SiC-C鐵溝澆注料性能的相關(guān)性, 主要研究了炭黑加入量對(duì)材料性能的影響。以電熔棕剛玉顆粒、碳化硅顆粒與細(xì)粉、硅微粉、α-Al2O3微粉、白剛玉微粉、Secar71水泥、Si粉、球?yàn)r青為主要原料, 分別以0、0. 5%、1%、1. 5%、2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的炭黑等量替代白剛玉微粉, 外加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4. 2%的水?dāng)嚢杈鶆?/span>, 振動(dòng)澆注成型, 研究了炭黑加入量對(duì)澆注料流動(dòng)性, 經(jīng)各溫度熱處理后常溫物理性能及高溫抗折強(qiáng)度、抗氧化性能的影響。結(jié)果表明:隨著炭黑加入量的增大, 澆注料流動(dòng)值先增大后減小, 體積密度先增大后減小, 顯氣孔率先減小后增加, 常溫強(qiáng)度先增后減;高溫抗折強(qiáng)度增大、抗氧化性能提高, 其原因分析與形成的β-SiC晶須和發(fā)育良好的莫來石晶體有關(guān)。加入炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1. 5%時(shí), 澆注料的綜合性能最好。根據(jù)試驗(yàn)實(shí)研究結(jié)果, 添加1. 5%炭黑的鐵溝澆注料在鐵溝應(yīng)用中取得了較好的效果。
1 引言
我國(guó)大中型高爐出鐵溝大多使用Al2O3-SiC-C質(zhì)澆注料, 主鐵溝損毀最嚴(yán)重的地方是落鐵點(diǎn)側(cè)壁空氣-高爐渣-鐵水接觸面部位, 它的損毀原因主要在于碳氧化、渣侵蝕和鐵水沖刷, 研究表明合理選擇碳源的種類和加入量可以提高Al2O3-SiC-C質(zhì)澆注料的使用壽命[1,2,3,4,5,6,7,8]。趙義等[1]研究了球狀瀝青加入量對(duì)Al2O3-Si C-C質(zhì)澆注料的體積密度、顯氣孔率、常溫耐壓強(qiáng)度、燒后質(zhì)量損失率、燒后線變化率、高溫抗折強(qiáng)度和抗渣侵蝕性等性能的影響, 表明加入球狀瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí), 澆注料的綜合性能最好;樊海兵等[2]研究了鱗片石墨外加量對(duì)鐵溝澆注料的體積密度、常溫力學(xué)強(qiáng)度和抗渣侵蝕等性能的影響, 表明以3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的球狀瀝青配合0.5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鱗片石墨作為炭素原料制備的鐵溝澆注料性能優(yōu)良。球?yàn)r青殘?zhí)驾^低, 鱗片石墨由于其片狀結(jié)構(gòu)不易引入澆注料中, 而炭黑作為一種比表面積很大的無定形碳, 具有殘?zhí)扛?、粒度小、反?yīng)活性大等優(yōu)點(diǎn), 經(jīng)常添加在碳復(fù)合耐火制品中, 如鎂碳磚、鋁碳滑板等, 其引入可以降低鋼水對(duì)耐火材料的侵蝕和滲透, 從而使耐火材料的壽命得到延長(zhǎng), 取得了良好的使用效果。因此, 在Al2O3-SiC-C鐵溝澆注料中加入炭黑, 有望提高鐵溝澆注料的使用性能。但是, 炭黑對(duì)鐵溝料服役機(jī)制的影響, 缺乏深入研究, 因此, 本文選用N990炭黑, 它在水中分散性良好。本文主要研究炭黑加入量對(duì)Al2O3-Si C-C質(zhì)澆注料常溫物理性能和高溫抗折強(qiáng)度及抗氧化性能等的影響規(guī)律, 并將研究的結(jié)果應(yīng)用于工業(yè)試驗(yàn)。
2 實(shí)驗(yàn)
2.1 原料
試驗(yàn)主要原料有:電熔棕剛玉, 白剛玉, 97SiC, 硅微粉 (粒度分析D50<1.5μm) 、球?yàn)r青 (軟化點(diǎn)約為110℃) 、secar71水泥、98金屬硅粉 (w (Si) =98.24%) , 活性Al2O3微粉 (粒度分析D50<2μm) , N990炭黑, 六偏磷酸鈉, 其主要原料化學(xué)組成見表1。
2.2 試樣制備
以棕剛玉、白剛玉為骨料, 以白剛玉、碳化硅、氧化鋁等為基質(zhì), 以水泥為結(jié)合劑, 逐漸增加炭黑含量, 分別按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、0.5%、1%、1.5%、2%, 差值用剛玉粉補(bǔ)足, 制備成澆注料分別標(biāo)記為1#、2#、3#、4#、5#, 具體試樣配比見表2。 按照表2所示配方配料, 將配好的物料干混60 s, 加入相同量的水 (滿足施工要求為標(biāo)準(zhǔn), 實(shí)驗(yàn)加入4.2%) 后再濕混120 s。將物料攪拌均勻, 在振動(dòng)臺(tái)上震動(dòng)成型, 制得尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的長(zhǎng)條試樣, 經(jīng)過常溫帶模養(yǎng)護(hù)24 h后, 脫模, 之后在110℃恒溫烘箱中干燥24 h, 然后分別在空氣氣氛下, 加熱到1000℃和1500℃, 并保溫3 h燒成, 然后, 隨爐自然冷卻到室溫。
2.3 性能檢測(cè)
采用TZ-345型膠砂流動(dòng)度測(cè)定儀測(cè)定澆注料的振動(dòng)流動(dòng)度 (30 s振動(dòng)25次) , 按照GBT 5072-2008、GBT 2997-2000檢測(cè)干燥后和燒成后試樣的體積密度和顯氣孔率, 按照YB/T 5201-1993檢測(cè)干燥后和燒成后試樣的耐壓強(qiáng)度, 按照GB/T 3002-1982檢測(cè)試樣的高溫抗折強(qiáng)度 (空氣氣氛, 1450℃保溫1 h) 。按照GBT 3001-2007測(cè)量試樣燒成前后尺寸變化, 計(jì)算燒后線變化率。按照GB/T 13244-91測(cè)定試樣脫碳層厚度。用德國(guó)蔡司掃描電鏡EVO18觀察其試樣高溫抗折斷口顯微結(jié)構(gòu)。
3 結(jié)果與討論
3.1 炭黑加入量對(duì)澆注料常溫物理性能的影響
3.1.1 炭黑加入量對(duì)澆注料流動(dòng)性能得影響
圖1 含不同含量炭黑的試樣流動(dòng)性能 在相同加水量的情況下, 澆注料的流動(dòng)值隨炭黑加入量的變化見圖1。從圖1可以看出, 澆注料的流動(dòng)性能隨炭黑加入量的增加先變好后變差, 當(dāng)炭黑外加超過1%時(shí), 流動(dòng)值變化不明顯, 當(dāng)炭黑外加超過1.5%時(shí), 流動(dòng)值逐漸變差。分析主要是炭黑分散性好, 粒度較細(xì), 加入量較小時(shí), 可以填充微小氣孔, 減少用水量;加入量較多時(shí), 游離在氣孔之外, 增加加水量, 使流動(dòng)值減小。
3.1.2 炭黑加入量對(duì)澆注料體積密度和顯氣孔率的影響
不同溫度熱處理后試樣的體積密度和顯氣孔率隨炭黑加入量的變化見圖2。從圖2 (a) 可以看出, 澆注料在經(jīng)過110℃保溫24 h、1000℃保溫3 h、1500℃保溫3 h處理后, 體積密度都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì);從圖2 (b) 可以看出, 經(jīng)低、中、高溫處理后, 試樣顯氣孔率都呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì), 都在炭黑外加1.5%時(shí)取得最小值。這是因?yàn)?/span>:一方面, 炭黑體密1.85 g/cm3, 代替了原來密度較大的白剛玉微粉, 使得澆注料體積密度減小;另一方面, 隨著炭黑加入量的增加, 填充氣孔, 結(jié)構(gòu)致密, 并促進(jìn)試樣燒結(jié), 使得試樣的體積密度增大;但炭黑引入過多, 澆注料流動(dòng)值開始下降, 結(jié)構(gòu)致密性降低, 所以澆注料熱處理后, 體積密度減小, 顯氣孔率增大。
3.1.3 炭黑加入量對(duì)澆注料不同溫度處理后線變化率的影響
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1000℃和1500℃燒后試樣線變化率隨炭黑加入量的變化見圖3。可以看出:經(jīng)過1000℃保溫3 h及經(jīng)過1500℃保溫3 h燒后, 線變化率均為正值, 試樣均表現(xiàn)為膨脹;隨炭黑加入量的增大, 1000℃燒后試樣的線膨脹率逐漸增大, 分析原因, 可能是因?yàn)?/span>C與Si在800～1200℃原位反應(yīng)生成SiC的初晶并產(chǎn)生膨脹, 隨炭黑加入量增加, 反應(yīng)生成的SiC (初晶) 增多, 膨脹量也相應(yīng)增大。1500℃燒后試樣的線膨脹率呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì), 澆注料在炭黑外加1.5%時(shí), 線變化率最大。在炭黑加入量為0～1.5%段線膨脹率的增大可能既與生成SiC有關(guān), 也與Al2O3與SiO2發(fā)生莫來石化反應(yīng)有關(guān);在炭黑加入量為1.5%～2%段線膨脹率減小的原因可能和結(jié)構(gòu)致密性降低有關(guān)。
圖2 含不同含量炭黑的試樣的體積密度 (a) 和顯氣孔率 (b) 
圖3 含不同含量炭黑的試樣的燒后線變化率 
圖4 含不同含量炭黑的試樣的冷態(tài)耐壓強(qiáng)度
3.1.4 炭黑加入量對(duì)澆注料常溫耐壓強(qiáng)度的影響
不同溫度熱處理后試樣的常溫耐壓強(qiáng)度隨炭黑加入量的變化見圖4?？梢钥闯?/span>:隨著炭黑加入量的增加, 110℃干燥后試樣的常溫耐壓強(qiáng)度變化不明顯;1000℃和1500℃燒后試樣的常溫耐壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì), 并且均在炭黑加入量為1.5%時(shí)達(dá)到了最大。影響試樣強(qiáng)度的因素較多, 包括致密度、物相組成、顯微結(jié)構(gòu)等。干燥及燒后試樣的常溫強(qiáng)度隨炭黑加入量變化的原因, 分析可能是由于炭黑是一種比表面積很大的無定型碳, 合適的加入量可以很好的分散在澆注料中, 填充氣孔, 促進(jìn)制品的致密化和燒結(jié)。
3.2 炭黑加入量對(duì)澆注料高溫抗折強(qiáng)度的影響
炭黑加入量對(duì)澆注料高溫抗折強(qiáng)度的影響如圖5所示。如圖5所示, 隨著炭黑加入量的增加, 試樣的高溫抗折強(qiáng)度增大, 當(dāng)炭黑加入量超過1.5%時(shí), 強(qiáng)度增加不大。圖6是不添加炭黑試樣高溫抗折斷口顯微結(jié)構(gòu)照片, 圖中結(jié)合相主要是莫來石;圖7是添加1.5%炭黑的試樣高溫抗折斷口顯微照片, 可見試樣中除了形成發(fā)育良好的莫來石晶相外, 且發(fā)現(xiàn)較多的碳化硅晶須, 由于碳是生成碳化硅反應(yīng)的主要反應(yīng)物, 分析在高溫下空隙處形成的β-SiC晶須和良好的莫來石化與炭黑的加入有關(guān)。同時(shí), 莫來石晶相和碳化硅晶對(duì)澆注料高溫抗折強(qiáng)度的改善是非常有利的。
圖5 含不同含量炭黑的試樣的高溫抗折強(qiáng)度
3.3 炭黑加入量對(duì)試樣抗氧化性能的影響
經(jīng)1000℃×3 h和1500℃×3 h熱處理后試樣斷面 (40 mm×40 mm) 的表觀形貌如圖8所示, 從圖8中可以看出, 1500℃的氧化程度小于1000℃的氧化程度, 主要和前者溫度下試樣表面可以形成致密氧化膜, 減緩了氧化程度;脫碳層隨著炭黑加入量的增加而逐漸減小, 因此試樣的抗氧化性能提高, 其中炭黑加入量在1.5%和2%時(shí), 試樣的抗氧化性能相當(dāng)。這主要是因?yàn)殡S著炭黑的加入, 試樣結(jié)構(gòu)越來越致密, 減緩了氧氣對(duì)試樣的氧化。但當(dāng)炭黑加2%時(shí), 澆注料的流動(dòng)性能開始變差, 顯氣孔率開始升高, 氧化加快, 所以抗氧化性較1.5%加入量時(shí)沒有明顯改善。
圖6 無炭黑試樣高溫抗折斷口顯微結(jié)構(gòu)照片 綜合上述性能, 炭黑N990在Al2O3-SiC-C鐵溝澆注料中最佳加入量為1.5%。
圖7 添加1.5%炭黑試樣高溫抗折斷口顯微結(jié)構(gòu)照片 
圖8 含不同含量炭黑的試樣的抗氧化性
4 工業(yè)試驗(yàn)和應(yīng)用
在實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果的基礎(chǔ)上, 將添加炭黑1.5%的方案在唐山某鋼鐵有限責(zé)任公司進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。其高爐容量為1080 m3, 其主溝到小坑長(zhǎng)13.5 m, 渣溝9 m, 共用料62噸, 其中主溝用43噸, 使用至下次套拆, 共使用78 d出鐵量約16萬(wàn)噸, 取得了較好的使用效果。
5 結(jié)論
(1) 隨著炭黑N990的加入, Al2O3-SiC-C澆注料常溫物理性能先提高后降低;高溫抗折強(qiáng)度和抗氧化性能提高。炭黑加入量為1.5%時(shí), 澆注料綜合性能較好。(2) 在此基礎(chǔ)上生產(chǎn)的鐵溝澆注料, 取得較好的工業(yè)試驗(yàn)效果。
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