试验证明：钛铝酸钙对环保炮泥性能的影响
发布日期： 2020-01-10 14:25:01 阅读量（928） 作者：刘梓明炮泥是保证高炉出铁顺利进行的关键耐火材料，起到堵塞出铁口，延长出铁口深度，保护炉缸侧墙的作用。传统炮泥多采用煤焦油和煤沥青作为结合剂，在高温使用过程中产生大量烟气，导致炉前作业环境差，且烟气中含有强致癌物质苯并[a]芘(BaP)，对人体健康产生巨大危害。随着环保意识的提高，越来越多的科研工作者开始呼吁使用环保型炮泥。钛铝酸钙作为炉外冶炼法生产钛铁合金的炉渣，是一种多物相复合材料，多年来一直被作为废弃物堆放，不但占用大量的土地资源，而且还会对土壤和水资源造成难以修复的破坏。因此，为响应“和谐美丽”的国家发展战略，降低炮泥成本，实现固废资源的循环利用，文章首先对钛铝酸钙的各项性能进行了研究，之后探究了钛铝酸钙取代棕刚玉在炮泥中使用的可行性，分析了钛铝酸钙加入量对炮泥性能的影响。
1钛铝酸钙的性能研究
1.1 理化性能
表1所示为钛铝酸钙骨料相应的理化性能。由表1可知：钛铝酸钙中主要化学成分有Al2O3、CaO与TiO2，还含有少量的SiO2、MgO、Fe2O3等杂质成分，且Al2O3的含量达到70wt%以上，颗粒体积密度较高。
表1钛铝酸钙的理化性能
1.2物相组成
钛铝酸钙不同温度下的XRD图谱如图2所示。根据图2(a)所示，常温下钛铝酸钙主晶相为CA6，Ca((Al0.84Ti0.16)2)6O19和CA2。CA6、CA2作为Ca-Al体系中的Al2O3含量较高的物相，其熔点很高，性能优良，广泛应用于耐火材料相关领域。经过1400℃热处理后如图2(b)所示，钛铝酸钙中的Ca((Al0.84Ti0.16)2)6O19和CA2物相基本消失，出现了TiO2、CaTiO3和Al2O3物相。说明试样随着温度的升高，Ca((Al0.84Ti0.16)2)6O19不稳定发生分解，生成了TiO2、CaTiO3和Al2O3，CA2的消失也说明CA2与Al2O3发生了反应生成了CA6。
CaAl4O7+4Al2O3→CaAl12O19(1)
图1钛铝酸钙经不同温度热处理后的XRD图谱
2钛铝酸钙在环保炮泥中的应用研究
2.1实验原料及方案
制备环保炮泥所采用的主要原料为：粒度为3~1、1~0mm、200目的棕刚玉、钛铝酸钙;粒度为1~0mm、200目和800目的碳化硅;粒度≤3mm的焦炭;混合细粉为粒度为200目的粘土、绢云母、氮化硅铁、高温环保沥青以及粒度为60~120目的蓝晶石，结合剂采用环保树脂。钛铝酸钙取代棕刚玉的含量分别为0、35%、100%制备4组试样，依次标注为R0、T0、T1、T2。控制炮泥的马夏值一致后出料并记录所加入的树脂量。按照GB/T2997-2000(2004)测定试样的体积密度和显气孔率;按照GB/T3001-2000测定试样的常温耐压强度;按照GB/T5988-2004测定试样的线变化率。物相分析采用X射线衍射仪(XRD，X’pertPowder,PANalytical，TheNetherlands)。
2.2钛铝酸钙对炮泥性能的影响
钛铝酸钙加入后对炮泥常温物理性能的影响见图2。由图2(a)可知：经1100℃热处理后，试样呈现收缩且收缩量T1>T2>T0>R0，经过1400℃和1400℃重烧热处理后，试样线膨胀率保持一致为T2>T1>T0。由图2(b)、(c)、(d)可知炮泥在经过不同温度处理后，显气孔率T1>T2>T0>R0，体积密度R0>T0>T2>T3，耐压强度T0>T2>T1。
图2钛铝酸钙对炮泥的常温物理性能的影响
钛铝酸钙原料本身的显气孔率高于棕刚玉(6.1%)，密度低于棕刚玉(3.53g/cm3)，故炮泥在引入钛铝酸钙后显气孔率增加，体积密度降低。T1试样显气孔率最大的原因：一方面是由于树脂加入量最多，碳化后产生的收缩最大;另一方面是由于钛铝酸钙与棕刚玉热膨胀系数不同，在加热过程中，由于热膨胀系数失配会导致试样内部产生裂纹。T1试样中钛铝酸钙取代棕刚玉量达75.9%，因此试样内部生成由于热膨胀系数不一致所导致的微裂纹最多，而T2试样骨料仅含钛铝酸钙，大颗粒热膨胀系数单一，裂纹产生量较少。因此，T1试样显气孔率最大，体积密度和耐压强度最低。
试样在经过1400℃热处理后蓝晶石的分解和SiO2与Al2O3反应会生成莫来石，而钛铝酸钙则会发生如上述图2和式(1)所示反应，其所含的CA2与原料中的Al2O3发生反应生成CA6相。莫来石和CA6的生成大大弥补了结合剂碳化和烧结过程产生的收缩，产生一定体积膨胀，加入量越多，相应的膨胀量越大，故膨胀量T2>T1>T0。对于钛铝酸钙含量不同的炮泥试样，随着温度的升高结合剂碳化，使得显气孔率大大增加，体积密度大大降低。当温度达到1400℃后，由于莫来石和CA6的生成产生的体积膨胀抵消了部分气孔，由表1可知，引入的钛铝酸钙杂质相含量较高，在高温作用下会促进液相烧结，进而填充一定的气孔，使得显气孔率得以降低，体积密度有所增加。
3结语
(1)钛铝酸钙的主要化学成分为Al2O3，主要物相组成为CA6，Ca((Al0.84Ti0.16)2)6O19和CA2，具有良好的理化性能。
(2)将钛铝酸钙取代棕刚玉加入环保炮泥中，保持试样的马夏值不变，随着结合剂加入量的增加，试样的显气孔率增大，体积密度降低，常温耐压强度也有所下降;仅取代大颗粒时试样的各项性能变化不大。
(3)从降低成本、保护环境、资源的再生利用角度考虑，钛铝酸钙取代棕刚玉在炮泥中的应用具有可行性。
王凌云1，邱文冬1，梁永和2，崔秀君1，尹玉成2
(1. 上海宝钢工业技术服务有限公司，上海201900;2.武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，湖北武汉430081)
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