选好耐火材料、包龄更长，一级矾土熟料和氧化铝80%均质料差异性研究
发布日期： 2016-04-27 00:00:00 阅读量（770） 作者：高铝矾土是重要的耐火原料，在耐火材料中起着重要的作用，是具有战略意义的资源。我国高铝矾土资源丰富，已探明储量达25亿吨。改革开放以来，我国高铝矾土资源得到了迅猛发展，基本上能够满足国内外市场的需求，已经成为国际矾土熟料的主要来源。但直至目前，我国绝大部分相关企业还以煅烧天然块料为主，品种单一，质量波动大，资源利用率低。近几年我国耐火高铝矾土生产制备技术也有了实质性突破，突出体现就是矾土基均化料规模化工业化制备技术的不断成熟，产品成功进入耐火原料市场，且市场占有率与日俱增。
由于对天然矾土熟料及矾土基均化料的性能研究，尤其是对比研究相关报道比较少，对于矾土基均化料的看法还存在争议。结合近几年在矾土级原料方面的研究与实践工作，本文以80级耐火高铝矾土熟料（以下简称“一级料”）和80矾土基均质料（以下简称“80均质料”）为例，通过对比分析，研究天然和合成矾土耐火原料间的差异，为从业者提供借鉴。
对比试验
试样选择。天然及合成高铝矾土原料均源自山西阳泉地区，某a厂的一级料和某t公司的80均质料：一级料直接由阳泉地区一级料块料倒焰窑烧制而成，80均质料以阳泉地区矾土生料为主要原材料，采用了三级均化、湿法共磨、高温烧制的制备工艺。
性能检测。研究人员使用数码相机记录试样宏观状态，使用化学分析方法检测试样的化学指标，使用国家标准检测材料物理性能。其中，抽真空装置及荷重软化温度测定设备为洛阳普瑞慷达公司生产，称量设备为setra（赛特拉）公司分析天平；使用荷兰帕纳科公司生产的x射线分析仪对材料的矿物组成进行分析，使用tescan（泰思肯）公司生产的扫描电子显微镜分析材料的微观结构。
结果与讨论
宏观状态。一级料料堆的颜色差异较大，形状上也差距较大，且一级料中夹杂着高铁料、铁皮料、高钙料、夹生料及其他级别的矾土料。据分析，造成这些差异的主要原因是，生料块料由于成因的缘故，所发育而成的料块与料块间存在着成分差异、物相差异。而对于矾土生料块料品位，目前没有准确的快速识别办法，只能依靠民间有长期经验积累的师傅肉眼识别。
而从80均质料的表观状态来看，合成耐火矾土熟料比较均匀，极少存在异化料。分析原因，由于人工的干预，在烧制前期经过对高铁高钙料的拣选，尤其是均化措施的采用，大大改善了天然料成分不均的现象，又通过湿法共磨，使得在纳微米级别上合成料的成分都达到了均一状态。
综上，尽管同样都采用阳泉地区一级料为主要原料，但一级料均匀性很差，80均质料表现出了一致的表观状态。
化学分析。取样时，每种各取5千克~10千克破碎后采用四分法取样。从分析数据可见，一级料中混级现象比较严重，不仅存在特级料，还有二级料、甲二级料。这说明，就化学检测来看，在选料层面上就不可避免地存在高铁料、高钙料或同块料杂质含量不可控的情况。这也从另一个侧面反映出，如果规模化大量生产，拣选过程中分级分选效果不会很好。
由在80均质料堆场随机挑选4块熟料的化学全分析结果可见，化学成分波动非常小，氧化铝含量极差小于两个百分点，其他杂质成分也基本上处于一个稳定的水平。这主要是因为合成均质料在生产过程中，实现了对大宗原料的均化过程，同时也归因于所选t公司生产均质料工艺中在线分析系统的应用，已经完全实现了按组分配料，确保了主要化学成分的可控性。
综上，化学分析的结果表明，由于高铝矾土熟料在生产过程中完全使用天然矾土的块料进行烧结，在生产过程中人工干预少，其材料成分完全取决于矿石本身的特性，因此其化学成分波动较大；而合成均质料就有效解决这方面的问题，使得材料的化学成分均一稳定。
物理指标。由一级料典型试样的物料指标可见，试样整体表现出吸水率较高，大部分处于6.0%~8.0%，波动较大。体积密度较小、吸水率偏大的为二级料或假二级料。而对于具有代表性的一级料，指标相对比较稳定，上下波动在一定的范围内，在使用中对杂质成分要求不高的情况下，如果能够做到认真分选，可实现天然矾土熟料物理指标的稳定，能满足产品对原料稳定性的要求。
由80均质料的物理指标可见，不同试样间的指标波动非常小，且结合化学指标可以判断体积密度、吸水率都处于一个优良水平。这从侧面反映了合成均质料在烧结过程中通过合理制度的选择及工艺控制，可以使矾土基熟料的烧结反应进行得比较彻底，通过人工干预可以在实现稳定性的同时实现目标结构及性能的要求。
通过两种矾土原料的荷重软化温度比较可知，一级料的荷重软化温度明显低于80均质料。而合成料整体性能稳定，烧结反应进行得比较完全，荷重软化温度达到了该组成材料应有的使用温度，可在此高温环境下安全使用。
综上，从物理性能方面看，一级料由于生料成因及简陋制备的原因，首先表现出了指标的上下波动较大；其次由于烧结不完全，荷重软化温度较低，不能物尽其用，高温下存在安全隐患，使用受限。而80均化料指标方面表现比较稳定，通过人工干预，荷重软化温度也达到了应有的水平；制备过程中烧结反应进行得比较完全，性能可控，可在适当高温下安全稳定使用。
物相表征。研究人员选取一级料中3个典型试样进行了x射线衍射分析。由衍射图可见，由于化学组成的差异，一级料的物相表现出多样性。尽管都出现了刚玉、莫来石、铝酸钙的衍射峰，但对于多数试样，其物相组成基本都是刚玉相。而少部分试样，由于铝含量的降低，其物相明显以刚玉和莫来石两种矿物物相为主。同时，有些试样上存在氧化钙聚集的情况，使矾土熟料的表面形成钙皮，其物相除了刚玉和莫来石外，还有大量铝酸钙的存在。
此外，研究人员还随机选择3个80均质料的x射线衍射图谱。由图可知，80均质料不同试样都仅存在刚玉和莫来石两种物相，峰形相同，物相基本保持一致。这说明合成的高铝矾土原料在物相组成上存在一致性，通过工艺控制避免了有害相的出现。
综上，x射线衍射的结果整体反应出，天然料的物相组成多种多样，每个试样的物相均存在差异。而合成的均质料，不仅是物相的种类，而且物相的含量都表现出稳定和一致性。
显微结构。由天然矾石一级料（氧化铝质量分数为80%）的sem（扫描电子显微镜）照片可见，一级料的内部比较疏松，气孔率高且相互连通。但从高倍下观察，仅看到颗粒大小不均匀的粒状刚玉相，莫来石相的发育不明显。
由80均质料的sem照片可见，80均质料较为致密，显气孔相对较少。从高倍下观察，80均质料为刚玉相和莫来石相互相交叉、紧密排布的结构，结构中莫来石相的相互交错形成网状结构。这种网状结构在高温下可有效阻碍刚玉颗粒之间的滑移，增强了材料的高温强度。
综上，从微观上看单一的一级料和80均质料均表现出了结构的稳定性，但由于制备工艺的差距，一级料显气孔率较高，莫来石晶体发育不完全，降低了天然料的适用温度和高温强度。80均质料烧结反应进行得比较完全，结构较为致密，刚玉莫来石发育较好，所形成的莫来石交叉的骨架结构高温下阻碍了刚玉相的滑移，提高了材料的使用温度和高温强度。
应用与结论
现场应用。研究人员以80均质料替代此前所用一级料作为骨料，用于120吨非精炼钢包中，在江苏某钢厂现场试用。经过半年时间的比较，使用80均质料作为骨料的钢包包龄延长50%以上，最高可达180次以上，钢包包壁侵蚀速率降至1.0mm/炉以下。从拆包后的变质层来看，使用天然一级料的样块变质层明显较厚，并且颗粒颜色都发生了变化，这也和荷重软化温度的检测结果相吻合。而使用80均质料的样块无明显变质层，颗粒保持原貌，说明80均质料可以在此环境下长期、安全、稳定使用。
结论。一级料在宏观状态、物理和化学指标方面均表现出不均匀性，混级现象严重，不利于制品的稳定性控制；80均质料克服了一级料的缺点，均一性、稳定性较好。
由于制备工艺的差异性，天然料杂质富集，烧结温度不够，有铝酸钙杂相出现，莫来石发育不完全。而80均质料经过多级均化、成分配料、高温煅烧矿相组成和显微结构表现出很好的一致性，所形成的莫来石交叉骨架结构稳定性好，有利于材料在高温下的使用及高温强度的提高。
现场应用证明，80均质料较一级料在钢包浇注料上表现出了安全稳定的使用性能，能明显延长包龄，降低侵蚀速率，提高产品综合性价比。
研究人员建议，选用原料时，应保证原料耐温性的前提下，着重考虑原料成分的均匀性、结构的稳定性、性能的匹配性和使用的安全性。
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