ASC铁沟浇注料用骨料、基质组成、结合剂和外加剂的选择-找耐火材料网

ASC铁沟浇注料用骨料、基质组成、结合剂和外加剂的选择

发布日期： 2020-04-17 09:09:11 阅读量（1312）作者：刘梓明

近年来，Al2O3-SiC-C系浇注料发展迅速，正在逐渐取代传统使用的捣打料。而由于原材料的性质及其组合决定了浇注料的性能，因而有必要分析ASC出铁沟浇注料的原料。

目前ASC铁沟浇注料的配方中，骨料大多是刚玉或铝矾土，结合剂一般使用铝酸钙水泥为主，而基质部分往往含有刚玉、碳化硅、碳素和其他添加剂。在实际使用时，一般先按照配方制成散状产品，然后运输至现场再加水混合均匀，最后浇注施工。

1、ASC铁沟浇注料的骨料

对于不定形耐火材料，合理选用骨料及严格控制级配是获得优良性能的关键。其中高铝骨料在材料中主要起骨架作用，在配方中所占比例较高(一般可占配方总重量的四至六成)，因此其Al2O3含量、颗粒尺寸及粒度分布等直接影响到出铁沟的服役寿命。

电熔白刚玉

最初用于Al2O3-SiC-C质浇注料的骨料主要是高铝矾土，后来研究者发现将高铝矾土骨料换为电熔刚玉后，浇注料的抗侵蚀性和抗冲刷性都有了明显的提高，而出铁沟的服役寿命也显著延长了，因此纯度较高的氧化铝骨料(如电熔刚玉、致密刚玉等)才得以在ASC质浇注料中被广泛应用。如今，ASC质浇注料的骨料多采用致密的电熔、烧结刚玉或矾土熟料，这是因为使用致密度高的骨料更容易配制出具有优异性能的浇注料。

致密的电熔或烧结刚玉一般纯度较高、杂质较少，用其制造的出铁沟寿命也较长，但是用其作为原料价格也较高，出于控制成本的考虑，一般多用于大型高炉上;在要求较低的中小型高炉中则更多使用烧结致密、吸水率低的矾土熟料。而随着耐火原料价格的上涨和钢铁价格的下降，在大型高炉中高纯度刚玉骨料的使用也受到成本的限制，因而实际使用时致密刚玉骨料的含量一般被控制在较低水平，目前钢铁厂所用的主流ASC铁沟料配方中的刚玉骨料大部分为棕刚玉，而更具性价比的骨料尚在探索之中。

2、ASC铁沟浇注料基质的基本组成

浇注料基质部分的组成对材料性能的影响也很大，其主要化学成分为Al2O3、SiC和C。其中，SiC和C都是耐火度高、导热系数大、抗侵蚀能力强的材料，两者一同使用相互配合更能起到抗氧化和阻止熔渣向基质部分渗透的作用。不仅如此，SiC还可以提高铁沟料的抗冲刷能力，对抗渣性的提升也有一定积极作用。而碳素原料对铁沟料的抗热震性有较大的改善。

一般来说，对SiC的控制主要集中在添加量(10wt%～30wt%)上，适当增加其含量可提高材料抵抗熔融高炉渣侵蚀的能力。然而，当需要用轧钢氧化铁皮在铁沟内进行脱硅处理时，由于SiC会被FeO快速氧化，很容易造成出铁沟的结构损坏。此时，过多的SiC反而会劣化材料的抗侵蚀性，所以SiC含量不能过高。由于碳素原料与水的润湿性普遍较差，所以在浇注料中的添加量通常较低，在2wt%～6wt%之间。球沥青属于碳素材料中亲水性较好的，而且在较高温度下，沥青会发生软化，有利于提高铁沟料的烘后强度，因而，它常被用作ASC铁沟料的碳源。但沥青对环境的污染很大，因而对工人的健康有较大的不利影响，所以，在保证铁沟料的整体性能基本不变的前提下，以其他碳素材料替代球沥青在环保角度有比较重大的意义。

3、ASC铁沟浇注料的结合剂

目前，最常用的出铁沟耐火材料结合剂是铝酸钙水泥，其他的还有粘土、溶胶/凝胶、可水合氧化铝等。结合剂的选择对耐火材料不同温度下的使用性能以及施工性能影响巨大，因此，结合剂的优化在对ASC铁沟料的研究中占了很大一部分。

出铁沟浇注料曾使用粘土作为结合剂，其具有原料易得、价格低廉的优点。但粘土杂质含量较大，而这些杂质的存在(特别是其中的碱金属氧化物如K2O、Na2O等)降低了粘土的耐火度以及相应产品的高温性能。因此，粘土目前在出铁沟中的使用已经较少。

铝酸钙水泥结合的浇注料初期强度高，容易成型，但是较早的水泥结合浇注料配方中包含15wt%～25wt%的水泥，而施工加水量为10wt%～20wt%，使原料中含有过多的CaO(铝酸钙引入)，其在高温下会与其他原料成分反应生成液相，导致材料抗渣侵蚀性等高温性能变差，且加水量过大会导致材料气孔率过高、不够致密，从而造成中高温强度的不足;不仅如此，这种浇注料在快速干燥时易于产生结构缺陷，例如剥落和裂纹等。为了解决这些问题，近年来开发了低水泥浇注料和超低水泥浇注料。在低水泥浇注料中，水泥加入量只有2wt%～6wt%，而加水量也只有3wt%～6wt%。因而，与先前的配方相比，这种浇注料结构致密、气孔尺寸小、透气性低、中高温强度高，并有较好的抗侵蚀性能。

ASC铁沟料的主要成分中有大量Al2O3，而另一主要成分SiC被氧化生成SiO2，此二者在使用温度与CaO易反应形成低熔相。所以，一般多从减少结合剂中CaO含量角度入手减少低熔相的形成，如王鑫惠等人加入高效增强剂SD-SEED替代部分水泥，取得了较好的效果，可是由于成本等原因尚未得到大规模推广。

溶胶或凝胶粉也可以用作铁沟料结合剂，其中二氧化硅溶胶是将纳米级的SiO2微小颗粒分散于水中而形成的一种胶体，较高的比表面积使它具有一些独特的性能。使用二氧化硅溶胶结合体系的铁沟料抗氧化和中高温强度都很好，但是在工业使用时常常出现凝固过快从而导致可施工时间不足的问题。吕春燕等人在SiAlON增强ASC浇注料中使用了铝硅凝胶粉，也取得了比较好的使用效果，但是其实际工业应用时也面临同硅溶胶一样的问题。

硅溶胶

ρ-Al2O3是一种可水化的氧化铝，商品氧化铝基浇注料结合剂alphabond300应该也属于此类，用其替代铝酸钙水泥可使铁沟料具有较高的常温强度和较好的抗渣性能，而且由于其没有引入CaO，所以可减弱或避免原料中CaO对出铁沟性能的负面影响，即材料的高温强度也会有一定提升。虽然此种结合剂在实验室中使用效果较好，但是其在工业试制时仍然有可施工时间不足的问题。

4、ASC铁沟浇注料的其他外加剂

由于对铁沟料的基本组成(氧化铝、碳化硅、碳)改进的低成本工业应用研究进展缓慢，而对于结合剂的优化目前也难于大规模应用，因此铁沟料研究者们常常在其中加入一定的外加剂以改善材料性能。

其中，最常见的是分散剂，它对浇注料的施工性能影响显著，对其他性能也有间接影响：在保证流动性基本不变的前提下，选择恰当的分散剂不仅可以减少加水量，还会增加材料的致密程度和常温强度。马少杰等人、柯昌美等人与OtrojS等人分别在不同结合体系的浇注料中比较了不同分散剂的效果，证明了不同减水剂的使用性能具有较大差异。因此，为不同的浇注料选择适合的分散剂是很重要的。在实际生产中，一般需要结合已有研究成果、样品实验、成本等因素综合进行选择。

另外，在ASC浇注料中也常常加入单质硅粉。微米级的单质硅可以先于碳素材料被氧化或与碳发生反应，形成金属氧化物和碳化物，减少碳素原料的消耗，从而使碳素可以按照材料的成分设计发挥作用，保障了浇注料较长时间的正常使用。

其他常见外加剂包括快干剂，例如铝粉，可使出铁沟满足快速修补的要求，还可以有效地防止在烘干过程中浇注料发生的爆裂，并提高其养护和烘干强度;中温增强剂，以防止中间温度时(出铁沟温度上升和下降过程中的阶段)浇注料的开裂和剥落。另外，还要加入膨胀剂以防止高温烧结时发生的收缩开裂;防爆纤维，用以改善浇注料的抗爆裂性，其原理是纤维受热分解而在材料中形成孔道，使内部的水蒸汽有迅速排出的通道，从而可以避免爆裂的发生;其他抗氧化剂，如B4C及其他含硼粉体、Si3N4粉体、Al4SiC4粉体等。

对铁沟料中新品种添加剂的探索仍在不断进行，比如镁铝尖晶石，实验结果证明添加一定的尖晶石粉，可以提高浇注料的堆积密度并促进烧结，在短时间内可以改善铁沟料的常温物理性能和抗渣性能。但是在长期使用中，MgO可能从尖晶石晶粒中扩散出来，导致SiC被氧化，还可能生成低熔点物质和二次尖晶石等，从而使铁沟料组织劣化，继而使出铁沟发生损毁，不能达到预期寿命。

韩兵强等在ASC浇注料中加入熔融石英，结果表明，引入适量的熔融石英有利于提高ASC质浇注料的性能(主要是烧后强度与抗氧化性)。然而，石英主要成分为SiO2，其过多的含量不可避免地导致高温性能的下降。孙敏等对在ASC浇注料中加入稀土复合氧化物进行了一定的探索，实验结果表明，在耐火浇注料中添加稀土复合氧化物能改善浇注料力学性能和烧结性能，且促进了莫来石的生成，从而起到了一定的强化作用。抗渣实验还证明，添加稀土复合氧化物耐火材料的抗高炉渣侵蚀性明显强于不加稀土复合氧化物耐火材料。然而，稀土氧化物的高成本限制了其的大规模使用。

近年来，已开发出多种具有优异性能的非氧化物，如SiAlON、MgAlON、SiAlON-TiNC等及其复合原料，将这些成分引入到ASC铁沟料中的研究也一直在进行。杨林等的研究表明使用合成的SiAlON-TiNC复相粉体替代原始配方中30wt%的刚玉、碳化硅和氧化铝等微粉以后，热处理后的强度有了显著增强，浇注料的抗熔渣侵蚀、渗透性能以及抗冲刷性能也得到了改善，因而提高了通铁量，使用效果较好，但是由于其原料的制备过程较为复杂等原因，目前尚未得到广泛应用。张涛[49]在ASC质铁沟浇注料中用适量的MgAlON合成原料代替原配方中的SiC，发现此时铁沟料的施工性能变化不大，但其显气孔率、耐压和抗折强度以及抗渣性能都有所改善。但是由于其中含有MgO，在长期使用时可能出现与添加镁铝尖晶石相同的问题。

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