硼對干式凝聚鋁鎂質干制料性能的影響

硼對干式凝聚鋁鎂質干制料性能的影響

在用復合爐加熱和生產能力方面，通常采用鋁鎂質干燥劑。鋁鎂質干式搗打料以剛玉為主材質,少量鎂砂以細粉形式加入可優(yōu)化基質。以剛玉為基礎的耐火材料通常加入硼酸作助燒結劑,在爐襯燒結過程中硼酸脫水轉化為氧化硼,高溫時氧化硼既起到高溫粘結劑作用,又能促進工作層的燒結。另外,鋁鎂質干式搗打料在高溫使用過程中,剛玉會與鎂砂反應生成鎂鋁尖晶石,有研究認為氧化硼可以降低鎂鋁尖晶石的合成與燒結溫度,而對材料性能不產生明顯的危害。硼酸加在鋁鎂質干式搗打料中具有以上兩方面的作用,但對這兩方面綜合之后的作用機理未見有詳細報道,本文從這兩個方面入手研究了不同硼酸加入量對鋁鎂質干式搗打料性能的影響,以期對實際生產及應用起到一定的指導作用。1試驗方法和試樣試驗所用原材料及化學組成見表1。其中電熔白剛玉粒度為5～3mm、3～1mm、1～0.074mm和≤0.074mm,電熔鎂砂為≤0.074mm的細粉。配料時電熔白剛玉和電熔鎂砂加入量保持不變,骨料與基質比例為7∶3,硼酸為外加。依據實際使用經驗,改變硼酸加入量(質量分數,下同)分別為:0、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%進行試驗,試樣編號為B1、B2、B3、B4和B5。按擬定好的配方配料,混合攪拌均勻。將混好的料裝入Φ36mm×30mm的尖晶石模具內,手工搗打成型。每個配比制9個試樣,全部帶模裝入高溫爐內升溫至1200℃,保溫3h,冷卻后脫模。每個配比均取出6個試樣再次放入高溫爐內煅燒,其中3個試樣1500℃煅燒,3個試樣1630℃煅燒,均保溫3h。測定燒后試樣的體積密度、線變化率和常溫耐壓強度。采用靜態(tài)坩堝法進行抗渣性能檢測,試驗溫度1630℃。渣樣采用某鋼廠8t中頻煉鋼爐爐渣,其主要成分(質量分數)分別為:40.54%CaO,25.53%Al2O3,12.76%SiO2,7.86%MgO,5.48%MnO。觀察渣浸斷面,取樣磨平拋光,利用SEM進行微觀結構觀察與分析,并用EDAX分析微區(qū)成分。2結果與討論2.1熱處理對燒結性能的影響硼酸加入量對搗打料常溫物理性能的影響見圖1～圖3。由圖1、圖2可知,在1200℃燒成后,不加硼酸的試樣其線變化率較小,體積密度較大,加入硼酸以后,線變化率增大,體積密度減小,但隨硼酸加入量的增加,材料的線變化率和體積密度變化不大;在1500℃和1630℃燒成后,不加硼酸和加不同量硼酸的試樣其線變化率均較大,體積密度均較低,且線變化率明顯高于、體積密度明顯低于1200℃燒成后的試樣。關于添加劑對促進燒結的作用,通常劃分為由固溶引起的效果和由液相生成而引起的效果兩種。硼酸在加熱過程中逐漸脫水生成硼酸酐(B2O3),B2O3在450℃時熔化與剛玉反應生成不一致熔融化合物2Al2O3·B2O3,2Al2O3·B2O3在1035℃發(fā)生熔融分解從而促進了干式搗打料的燒結,屬液相燒結。同時,B2O3能與合成料中的MgO和Al2O3形成填隙型和置換型的固溶體,在結晶表面及晶粒界面處濃縮,影響界面性質,降低離子擴散的活化能,從而促進尖晶石的形成。所以加硼酸的試樣在1200℃燒成后其尖晶石生成量較不加硼酸的試樣要多,而MgO與Al2O3在反應生成尖晶石時,會產生較大的體積膨脹,于是在宏觀上表現為加硼酸試樣的線變化率較不加硼酸的大。但隨硼酸加入量的增加,試樣的線變化率和體積密度變化并不大,這說明1200℃時B2O3在剛玉和方鎂石中的固溶度較小,對界面性質影響有限,并不隨硼酸加入量的增加使得試樣中尖晶石大量生成。隨著燒成溫度的提高,溫度能夠增加Mg2+、Al3+的活化能,提高它們的擴散速度,在不加硼酸的試樣中也會大量生成尖晶石,所以在1500℃和1630℃燒成后,不加硼酸和加不同量硼酸的試樣其線變化率均較大,體積密度均較低。這同時也說明硼酸不能緩解尖晶石大量生成時產生的體積膨脹,即硼酸雖然有一定的促進尖晶石的形成的效果,但對促進材料致密化方面作用不明顯。由圖3可知,在各個溫度燒成后,隨著硼酸加入量的增加,材料的常溫耐壓強度都逐漸增加。但對同一硼酸加入量的試樣,當其加入量小于0.6%時,隨燒成溫度的提高,試樣強度降低;當硼酸加入量大于0.6%以后,才隨燒成溫度的提高,試樣強度增大。在其他條件一定情況下,硼酸加入量對材料常溫耐壓強度的影響是隨著硼酸加入量的增加,燒結過程中產生的液相量多,對材料的燒結促進作用增強,所以隨著硼酸加入量的增加,材料的常溫耐壓強度都逐漸增加。但在硼酸加入量小于0.6%時,因加入量較小,對材料燒結促進作用有限,高溫燒成時因尖晶石大量生成產生的膨脹對材料內部結構的破壞太大,使得1500℃和1630℃燒成后的強度反而低于1200℃燒成后的強度。當硼酸加入量大于0.6%以后,使材料產生足夠的燒結強度,能夠抵抗因尖晶石生成產生的膨脹對材料結構的破壞時,材料的高溫(1500℃和1630℃)燒后強度才提高。2.2抗渣及滲流層中ca選取具有代表性的試樣制出坩堝進行抗渣試驗。圖4～圖7是硼酸加入量為0.6%和1.0%的B3、B5試樣渣浸后侵蝕層、滲透層的微觀結構形貌照片及其能譜分析圖。由圖可見,B3試樣的侵蝕層和滲透層結構均勻致密;而B5試樣侵蝕層和滲透層結構較疏松,有明顯被侵蝕后的空洞存在。即B3試樣的抗渣性能較B5試樣要好。同時由能譜分析圖可知,在兩試樣的滲透層中Mn、Fe元素都滲入較少,但CaO在兩試樣中滲入不一樣,B3試樣的侵蝕層中Ca含量較低,到滲透層中Ca含量增加;而B5試樣的侵蝕層和滲透層中Ca含量相差不大,似乎是均勻滲入的。資料介紹,鋁鎂質材料的抗渣機理一方面是渣中的CaO與材料中的Al2O3反應,生成針狀和條柱狀的CA6,使?jié)B透層結構致密,抑制渣的進一步滲透;同時尖晶石固溶MnO、FeO等成分形成(Mg,Mn,Fe)O·Al2O3復合尖晶石,減弱其侵蝕能力;而且由于CaO和MnO、FeO的降低,渣向富SiO2組成變化,使渣的粘度增大,滲透能力降低。也就是在B3、B5試樣中由于有尖晶石的生成,使其都具有較強的抗MnO、FeO侵蝕的能力,在滲透層中Mn、Fe元素都侵入較少,即MnO、FeO在侵蝕層中已被大量捕捉了。但CaO在兩試樣中的滲入情況不一樣,B3試樣滲透層中Ca含量較高,大量生成CA6形成了致密層,使其組織均勻致密;而B5試樣的滲透層未及形成致密層,其侵蝕層和滲透層形貌相似,這只能使侵蝕加劇。李景仁研究B2O3對感應爐高鋁礬土坩堝的高溫粘結機理時認為,當適量的堿性氧化物同B2O3共融時,堿性氧化物給出“游離氧”,而B2O3獲得“游離氧”,使硼在熔體中的結構由三角體網絡[BO3]3-(平面結構)變成四面體網絡[BO4]4-(空間骨架結構)。轉化的結果使熔體中硼氧的網絡連接程度增強,分子量增大,分子移動或擴散困難,即粘度提高。當試樣中加入硼酸時,在高溫下產生液相,但因其粘度較大,在適量的范圍內,對材料的抗渣性不會造成大的影響,但如果硼酸加入量過大,高溫下產生液相較多,使渣在材料中遷移加快,仍會加劇侵蝕,這就導致了B5試樣抗渣性的降低。3硼加入量對水泥材料抗渣性的影響(1)硼酸雖然有一定的促進尖晶石形成的效果,但在促進材料致密化方面作用不明顯,使燒后試樣線變化率較大,體積密度較小。(2)當硼酸加入量大于0.6%以后,