原料、加入物、结合剂等对ASC出铁沟浇注料性能都有哪些影响？
发布日期： 2020-04-29 09:06:22 阅读量（502） 作者：刘梓明高炉出铁沟浇注料寿命的延长可以减少耐火材料消耗，降低吨铁成本。高炉出铁沟浇注料的主要成分为刚玉、碳化硅和碳，成型方式经历了由捣打、振动浇注到自流成型的发展过程;伴随此过程，结合方式也先后由碳素、水泥到溶胶等历程。Al2O3-SiC-C（简称ASC出铁沟浇注料）依然是当今国内外大型高炉出铁沟工作衬的普遍选择。
高炉出铁沟浇注料的损坏主要包括高温渣/铁的热冲击引起的裂纹及氧化作用对其整体结构的破坏、高温渣/铁向耐火材料内部的渗透及对结构的破坏及高温渣/铁熔蚀及对其冲刷损蚀。高炉出铁沟浇注料使用寿命主要取决于其自身的性能，而此又依赖于所采用的原料和材料最终的结构。针对以上原因，科研人员做了大量研究工作。
1、原料对ASC出铁沟浇注料的影响
合理选用骨料的粒径及严格控制级配是制造优质出铁沟浇注料的关键。骨料的粒度一般不宜过大，通常不大于8mm，且在配料中大于1mm的粗颗粒应占有足够的比例，一般应大于60%。由致密电熔刚玉、烧结板状刚玉和电熔棕刚玉三种刚玉原料复合而成的Al2O3-SiC-C质浇注料具有良好的抗热震性，从而提高了其使用寿命。而且，有研究表明骨料的种类对Al2O3-SiC-C质浇注料的抗渣性有显著影响。Al2O3-SiC-C质浇注料中的SiC主要应以细粉形式加入，但当SiC加入量较多时，也可能部分以颗粒形式加入。SiC的加入量可以在很大范围内波动，通常在10～30%范围内。增加SiC含量有利于提高Al2O3-SiC-C质浇注料的抗高炉渣侵蚀能力。目前多数铁沟料中SiC含量在11～20%，又以13～16%居多。碳的加入量对浇注料的流动性是不利的，但它的加入能明显提高浇注料的抗渣性，也能明显改善材料的抗热震性。将Al2O3-SiC-C质浇注料中的碳源由沥青改为改性石墨，其各指标并未呈现有益的改变，而且随着其量的增加也并未表现出一定的规律。日本学者也尝试了在Al2O3-SiC-C质浇注料中加入约20%碳颗粒，仅增加了1%的加水量;然而这一举措可以减少材料的开裂和剥落、提高其抗侵蚀性能，但是也不影响材料的强度。Al2O3-SiC-C质浇注料中以球状沥青使用的效果最佳。
刚玉、碳化硅和碳三种主要原料配合使用，相互弥补了各自的不足之处。以其为主要原料制得的Al2O3-SiC-C质浇注料在高炉出铁沟中得到广泛的应用，由于碳化硅和碳素的引入，使其具有了良好的热震稳定性和抗侵蚀性能，使用效果良好。但是，碳化硅和碳素两种原料也有其致命的弱点，那就是其易氧化性。作为改善出铁沟浇注料抗氧化性的途径，除了提高浇注料的致密度、选用本身抗氧化性更佳的碳素组合作为碳素来源之外，在Al2O3-SiC-C质浇注料中往往加入防氧化剂以提高其抗氧化能力，也是提高其使用寿命的途径之一。到目前为止，Al2O3-SiC-C质浇注料中应用的最为广泛和成功的防氧化剂依然当属单质Si粉。
Si(s)+CO(g)=SiO(g)+C(s)
2SiO(g)+O2(g)=2SiO2(1)
单质Si受到氧化作用，反应生成SiO(g)并使CO还原为碳，抑制了碳的氧化，而SiO(g)气体通过气相扩散，在材料表面被进一步氧化生成的SiO2液相，可以堵塞气孔，使致密度提高，并形成保护层阻止了氧的进一步侵入，大大降低了材料内部的氧分压，从而使得剩余的Si与C反应生成蠕虫状的β-SiC，中、高温强度得到改善。
另外，在Al2O3-SiC-C质浇注料中还加入其它为了获取一定的施工性能的材料，例如为提高其结合强度而加入的铝酸钙水泥、为提高其流动性而加入的超细粉等。学者们为了进一步提高Al2O3-SiC-C质浇注料的整体性能，还广泛研究了多种添加物对其性能和寿命的提高作用。
2、加入物对ASC出铁沟浇注料的影响
长期以来，为了改善Al2O3-SiC-C质浇注料的抗渣性，往往采用添加其它材料的措施。例如，在Al2O3-SiC-C质浇注料中添加MgO，可以在材料中于适当的范围内形成一定量的MgO-CaO-Al2O3-SiO2系液相，这种低熔点物可以减少材料的开裂，且其形成受CaO与MgO的含量控制。而在Al2O3-SiC-C质浇注料中引入一定的镁铝尖晶石也对其性能产生一定的作用，特别是在提高浇注料的抗渣性方面作用显著。但是，该作用与镁铝尖晶石的粒度、加入量和组分有关。
韩兵强等分别研究了添加硼酸盐玻璃和熔融石英对Al2O3-SiC-C质浇注料性能的影响。研究结果表明：添加硼酸盐玻璃到Al2O3-SiC-C质浇注料中去，可以在较低温度下形成液相，堵塞气孔，从而改善其抗渗透性能，同时对其抗氧化性提高也有一定作用，但效果不佳;而熔融石英的加入也可改善Al2O3-SiC-C质浇注料的性能，且其加入量应控制在9%以内。MgAlON、Si3N4、SiAlON等非氧化物以其优良的性能，例如耐高温、不易润湿等特点，受到广泛的青睐。很多学者研究了这些材料对Al2O3-SiC-C系材料性能的影响。用适量MgAlON替代Al2O3-SiC-C质浇注料中的部分SiC，可以改善材料的显气孔率、强度和抗渣侵蚀性能;若用20%以内的MgAlON替代Al2O3-SiC-C质浇注料中的刚玉，则可获得性能良好的材料，但超过20%后则材料性能下降明显。李朝云等系统地研究了Si3N4对Al2O3-SiC-C质浇注料性能的影响，确定当其加入量为6%(质量分数)时浇注料性能较好。同时，将Si3N4引入到Al2O3-SiC-C质浇注料中，还可以生成活性较高的SiAlON，氧化放出气体，阻止熔渣的渗入;其次，SiAlON向熔渣中溶解，使熔渣成为含N的高硅玻璃，粘度增大，改善了抗渗透性和抗渣侵蚀性能。刘志军发现随Si3N4-Fe加入量的增加，Al2O3-SiC-C质浇注料浇注料体积密度增大、线变化率减小，耐压强度和抗折强度都有提高;在抗渣性方面，Si3N4-Fe的加入量为9%的浇注料具有最好的抗渣性能。而关于Si3N4-Fe提高Al2O3-SiC-C质浇注料抗渣性的机理，陈俊红等认为是由于Fe能够促进Si3N4向SiC转变，从而能明显提高材料的高温抗折强度、改善防氧化性能而改善材料的抗渣性。
3、结合剂对ASC出铁沟浇注料的影响
结合剂对于不定形耐火材料的施工性能和使用性能都具有很大的影响。对于Al2O3-SiC-C质浇注料，铝酸钙水泥、α-Al2O3微粉结合剂中加入SiO2微粉的试样，其常温耐压强度和抗折强度比没有加入SiO2微粉的试样要大。α-Al2O3微粉为结合剂的试样高温抗折强度最大，加入SiO2微粉的试样高温抗折强度低。只加入α-Al2O3微粉时材料的抗侵蚀性能最好。张唐文等也发现SiO2微粉有利于材料的常温性能，而以ρ-Al2O3为结合剂时可获得较好的高温性能。栾舰等人的研究也证明SiO2微粉有利于Al2O3-SiC-C质浇注料的致密度和强度。有学者研究了水泥和ρ-Al2O3对Al2O3-SiC-C质铁沟浇注料性能的影响，也认为水泥存在时对材料的高温性能不利，特别是抗侵蚀性能。总之，从以上的研究结论来看，水泥和SiO2微粉虽可获得较好的常温性能，但是对于材料的高温性能却是非常不利的，ρ-Al2O3则与之相反。由此可知材料基质中CaO与SiO2含量的增加不利于材料的高温性能，应尽可能少用。为此，有学者研究了用铝硅凝胶或硅溶胶结合剂对Al2O3-SiC-C系材料性能的影响，结果也表明其具有良好的抗侵蚀性能。
4、粒度组成及分散剂对ASC出铁沟浇注料的影响
合理的组分设计与配比是获得性能优良Al2O3-SiC-C质浇注料的前提条件。但是，作业性能也对其最终的使用寿命有至关重要的影响。有研究表明：自流型Al2O3-SiC-C质浇注料较振动型具有更好的微观结构和理化性能，并且最重要的是使用寿命较长。要想获得具有良好流动性的自流型浇注料，关键在于对材料的原料颗粒分布(PSD)进行优化，并采用合适的分散剂。用Andreasen理论公式进行表征时，自流浇注料的最佳粒度分布系数范围为0.21~0.26。对于Al2O3-SiC-C质浇注料，由于碳化硅和碳两种疏水性原料的引入，高效分散剂的选择对获得良好作业性能非常重要。SasanOtroj等研究比对了聚丙烯酸钠、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和柠檬酸四种分散剂对Al2O3-SiC-C质浇注料的减水效果及流动性的影响。结果证明：在Al2O3-SiC-C质浇注料中使用聚丙烯酸钠的减水效果最明显，表现在其仅0.06%的加入量(加水量为6%)时所制得的浇注料的自流值可高达90%。
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