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矾土均质料对炮泥性能的影响

时间:2014-11-06 点击次数:861次

  摘 要:分别以粒度≤3 mm的电熔棕刚玉、高铝矾土熟料和矾土均质料为主要原料制备了高炉用无水泥炮泥,研究了加入量(w)均为30%的3种原料对炮泥性能的影响。结果表明:1)与高铝矾土熟料相比,矾土均质料孔隙率低,用其制备的炮泥在获得良好塑性的条件下需要的焦油量较少;2)加入矾土均质料炮泥的常温耐压强度和高温抗折强度明显高于加入高铝矾土熟料的炮泥试样的,其性能与加入棕刚玉炮泥的性能相近,并且炮泥性能具有良好的稳定性;3)加入矾土均质料炮泥具有优异性能的原因得益于矾土均质料化学组成和矿物组成均匀稳定,材料结构中存在大量发育良好的莫来石相。

  关键词:矾土熟料;矾土均质料;炮泥;可塑性;高温强度

  目前,我国高铝矾土熟料的生产仍以煅烧天热矿料为主,产品质量波动性大,资源利用率低,能耗高。矾土均质料是以天然矾土矿石为主要原料,通过破碎,细磨并调好成分后加水混炼均匀,而后经过成型、煅烧等工艺制备获得的,与天然原料相比,具有成分均匀、性能稳定、致密的高等特点。因此,根据我国铝矾土资源的特点,大力发展优质合成均质原料,促使矾土基材料质量、品位和附加值的升级,是我国高铝矾土创新发展的重要方向之一。

  高铝矾土熟料和电熔棕刚玉是制备高炉出铁口用无水炮泥的重要原料,对炮泥性能影响显著。在本工作中,将矾土均质料作为原料引入到无水炮泥的制备中,研究了矾土均质料对无水炮泥加油量、可塑性、常温物理性能和高温性能的影响,并与以高铝矾土熟料、棕刚玉为主要原料制备的无水炮泥的性能作对比,希望能为矾土均质料在无水炮泥中的应用提供一定参考。

  1 试验

  1.1 原料

  试验所用主要原料有:粒度≤3 mm的电熔棕刚玉,粒度≤3 mm的高铝矾土熟料,粒度≤3 mm的矾土均质料,粒度≤1 mm的碳化硅,粒度≤3 mm的焦炭,粒度≤0.074 mm的粘土,粒度≤0.1 mm的沥青。主要原料的理化指标如表1所示。

  表1 主要原料的理化性能

原料

化学组成(w)/%

体积密度/

(g.cm-3

吸水率/%

Al2O3

SiO2

Fe2O3

电熔棕刚玉

94.57

2.25

0.48

3.89

0.4

高铝矾土熟料

87.86

5.58

1.89

3.35

2.5

矾土均质料

81.45

11.66

2.01

3.28

0.8

  1.2 试样制备

  将原料按表2配比称量后混合均匀,加入焦油作为结合剂,混炼均匀后以80 Mpa压力压制成型为40 mm×40 mm×160 mm的坯体试样。坯体试样在200 ℃干燥72 h,然后分别在800、1450 ℃保温3 h埋炭(焦炭)进行热处理,之后随炉自然冷却至室温。

  表2 试样配比

原料

W/%

Z

F

J

电熔棕刚玉(≤3 mm)

30

0

0

高铝矾土熟料(≤3 mm)

0

30

0

矾土均质料(≤3 mm)

0

0

30

SiC

20

20

20

焦炭

15

15

15

粘土

15

15

15

沥青

8

8

8

其他

12

12

12

焦油(外加)

16

16

16

  1.3 性能检测

  炮泥是用来封堵出铁口的不定形耐火材料,良好的可塑性对其现场使用至关重要。试验采用测定炮泥的马夏值评价其可塑性。马夏值越高,炮泥的可塑性越差。按YB/T 5200—1993(2008)、GB/T 5072—2008和GB/T 3002—2004分别测定试样的显气孔率、常温耐压强度和高温抗折强度。高温抗折强度的测定采用不烧样,在埋炭条件下将其升温至1450 ℃保温2 h后测试。

  2 结果与讨论

  3种炮泥试样的马夏值测试结果如图1所示。从图中可以看出,加入棕刚玉炮泥的马夏值***小,加入高铝矾土熟料的炮泥的马夏值***大,而加入矾土均质料炮泥的马夏值介于二者之间。3种炮泥马夏值的差异与加入料的物理性能有关。由于高铝矾土熟料的吸水率较高(见表1),空隙度较大,因此,炮泥所用结合剂焦油的需要量较大,导致炮泥的马夏值较高。而棕刚玉和矾土均质料由于致密度较高,焦油需要量较少,因此,在同样加油量的情况下,炮泥的马夏值较低,可塑性较好。

  图2示出了3种炮泥试样在不同条件下热处理后的显气孔率。可以看到,随着热处理温度的升高,在800 ℃之前,试样的显气孔率逐渐升高,升高幅度较大,这主要是作为炮泥结合剂的焦油和沥青,在800 ℃之前大量挥发、分解所致;在800 ℃之后,试样在高温下逐渐烧结使其气孔率降低。由于3种原料孔隙率之间的差异,高铝矾土熟料的孔隙率远高于其他两种原料的,导致加入高铝矾土熟料炮泥试样的显气孔率高于加入棕刚玉和矾土均质料炮泥试样的。

  图3示出了1450 ℃埋炭热处理3 h后3种炮泥试样的常温耐压强度,每种炮泥测试5条试样,取平均值,并对测试结果的偏差范围在图中作以标记。从图中可以看出,加入矾土均质料试样的耐压强度与加入棕刚玉接近,高于高铝矾土熟料试样的常温耐压强度。这主要是由于前两者试样的组织结构致密,显气孔率低,并且均质料的细磨均化工艺显著降低了铝矾土粉体烧结时的活化能,促进了试样的高温烧结。从图3中还可以看到,加入高铝矾土熟料试样的耐压强度测试结果偏差范围明显宽于加入矾土均质料和棕刚玉试样,表明了该炮泥性能的不稳地性。由于我国高铝矾土熟料混级现象突出,化学组成和矿物组成波动性大,杂质分布不均,这种原料质量的不稳定性势必造成各个炮泥试样性能的显著差异。而经过均化提纯工艺制备的矾土均质料其物理化学性能更加均一稳定,原料之间差异性小,因此,炮泥性能的波动性较小。

  3种炮泥试样在1450 ℃下保温2 h的高温抗折强度测试结果如图4所示。可以看到,加入矾土均质料炮泥试样的高温抗折强度高于加入棕刚玉炮泥试样的,明显优于加入高铝矾土熟料炮泥试样的,并且测试结果的偏差幅度也较小。图5示出了3种炮泥试样在经高温抗折试验后断面的显微结构照片,可以看出,与加入棕刚玉炮泥试样Z和高铝矾土熟料炮泥F相比,加入矾土均质料炮泥试样J的显微结构中存在大量的柱状晶体,柱状晶体进行能谱分析的结果见图5(d),表明其为莫来石相。含矾土均质料炮泥试样具有较高高温抗折强度的原因为:矾土均质料的物相结构中存在大量的莫来石相,其细磨均化煅烧工艺促进了粉体中莫来石晶体的形成和生长,这种柱状的莫来石晶体加入到炮泥中,在高温下与基质生成的莫来石结合的更加牢固,并且长大的莫来石柱状晶体穿插在材料的结构中起到强化作用,显著提高了材料的高温力学性能。此外,由于铝矾土经过均化提纯工艺后有效的减少了成分富集现象,尤其是杂质富集,从而弱化了杂质对材料高温性能的不利影响。

  3 现场应用

  将含矾土均质料的无水炮泥在3200、2680、1780 m3等大中型高炉上进行了应用,现场使用效果良好,炮泥具有优异的高温强度和抗侵蚀冲刷等性能,使用稳定性好,出铁时间达到100~150 min,出铁时间合格率大于85%,满足了高炉长时间稳定出铁的需要。与含电熔棕刚玉的无水炮泥相比,含矾土均质料的炮泥显著降低了成本,节约了资源。

  4 结论

  (1) 与高铝矾土熟料相比,矾土均质料致密度较高,以其为原料制备的炮泥在相同焦油加入量的条件下,具有更好的塑性。

  (2)与加入高铝矾土熟料的炮泥相比,加入矾土均质料炮泥具有较高的常温耐压强度和高温抗折强度,并且性能更加稳定,其性能与加入棕刚玉的炮泥性能相近。