蓝晶石能提高耐火浇注料的性能,但一定要掌握好用量

2020-09-25 06:50:08 46

蓝晶石在高温下分解产生莫来石和SiO₂,同时伴随明显的体积膨胀,而高温膨胀是其他高铝原料所没有的特性,故常常将蓝晶石作为原料添加到制品中,利用其膨胀效应抵消某些基体材料的收缩或者制品的烧成收缩,使制品具有高温体积相对稳定,抗热震性好和抗蠕变性能好等特点。

耐火浇注料是一种加水搅拌后具有良好流动性的不定形耐火材料,既可直接浇注成衬体使用,又可用浇注或震实的方法制成预制块使用。在不定形耐火材料中,浇注料所占比例。浇注料主要作为冶金、水泥、石油、化工、建材及机械工业窑炉和热工设备的内衬材料而广泛使用。

基于蓝晶石的这些特性,不定型耐火材料里面有很多都会添加蓝晶石以增加浇注料的特性,本文以矾土基耐火浇注料、烧结点火炉用耐火浇注料、矾土基无水泥浇注料、铁水预处理脱硫喷枪浇注料、莫来石基浇注料、硅酸铝纤维浇注料、焦宝石基浇注料、耐火泥、喷涂料、可塑料等系列产品为例,详细的描述加入蓝晶石后,浇注料性能发生的变化。供大家参考。

01

矾土基耐火浇注料

随着技术的发展,浇注料正朝向低水泥方向发展,低水泥浇注料与传统浇注料相比,具有更佳的高温性能和抗渣性能。其中,矾土基低水泥浇注料已取得一定的进展,为了解决矾土基低水泥浇注料在高温条件下因体积收缩导致的结构剥落,张玲等、朱新伟、单玉香等分别研究了蓝晶石对矾土基低水泥浇注料性能的影响。结果表明:蓝晶石原料在1300℃以前膨胀不明显,在1325℃~1390℃温度区间内快速膨胀,在1430℃达到膨胀值。蓝晶石膨胀温度区间较窄,仅65℃。当温度继续升高,由于液相的生成及烧结的作用,膨胀率下降。当蓝晶石的加入量足够多时,才能补偿浇注料因烧结产生的收缩,提高材料的高温体积稳定性。在蓝晶石有较大膨胀值的温度范围内加入适量蓝晶石有利于提高材料的荷重软化温度。浇注料应根据使用温度的不同而加入不同含量的蓝晶石,以便确保材料强度的提高。蓝晶石的加入,一方面能分解产生莫来石,提高材料的强度;另一方面由于分解产生的膨胀,使强度的增加受到限制。因此,只有引入适量的蓝晶石,才能改善材料的常温力学性能。

王建武等研究了基质组成对矾土基浇注料荷重软化温度的影响。结果表明:蓝晶石的体积膨胀在低温时不明显,因此只有加入少量的蓝晶石才能提高0.6%变形温度,而加入量过多时,低熔作用占主导导致0.6%变形温度下降。蓝晶石在高温下产生的体积膨胀补偿了试样的压缩变形以及蓝晶石降低液相生成温度,因此浇注料的4%变形温度随蓝晶石加入量的增加而提高,这与张玲等的研究结果相同。

陈杨等还研究了蓝晶石加入量对矾土基低水泥浇注料高温抗折强度和抗热震性的影响。结果表明:随着蓝晶石加入量的增加,材料的高温抗折强度和抗折强度保持率均呈先增大后减小的变化规律,当加入量w(蓝晶石)=4%时,材料具有的高温抗折强度,当加入量w(蓝晶石)=2%时,材料具有的抗热震性。加入蓝晶石可提高材料抗热震性的原因为:蓝晶石在高温下分解形成柱状莫来石,这些长柱状晶粒穿插在基质中,形成网络交织结构,彼此相互制约和加强,能较好抵抗由热震引起的裂纹扩展,对提高材料的强度和抗热震性有利。

包扬等也以矾土为原料,以活性SiO₂微粉、α-Al₂O₃微粉和纯铝酸钙水泥为结合剂,添加适量减水剂,研制出一种具有优良抗高温蠕变性能、抗热震性和荷重软化温度高的高强、不收缩高铝浇注料,并对比了三种膨胀剂金属硅、蓝晶石和红柱石对材料性能的影响。结果表明:不加膨胀剂的材料高温收缩大,易在高温使用过程中产生收缩裂纹,降低使用寿命。加入三种膨胀剂均对材料起到了一定的高温抗收缩性能,其中加入金属硅粉彻底解决了材料在1400℃时的高温收缩,抵消了其高温蠕变,效果好于蓝晶石、红柱石,这与周安宏等的研究结果相同。但其价格较贵,不利于降低材料成本。研制的该浇注料已在高炉、回转窑、加热炉炉顶、烧结机点火器等部位应用,性能良好,寿命可达2年~3年。

02

烧结点火炉用耐火浇注料

烧结点火炉是制备供高炉用烧结矿和球团矿的热工设备,使用的内衬材料在使用过程中往往会出现炉墙底部化学侵蚀严重和炉顶烧嘴周围温度较高的现象,导致点火炉使用寿命一般不到2年。

为了提高点火炉使用寿命,夏昌勇等以矾土、莫来石、SiC、蓝晶石和硅线石为原料,以SiO₂微粉、活性α-Al₂O₃微粉和铝酸钙水泥为结合剂,加入减水剂三聚磷酸钠,研制出一种烧结点火炉用浇注料。结果表明:SiO₂微粉的加入不但增加了材料的烘干后强度,也增加了材料经过1350℃烧后的常温抗折强度,但高温烧后材料的线收缩率却随着SiO₂微粉加入量的增加而增大,影响了材料的高温体积稳定性。蓝晶石的引入能确保材料获得较理想的膨胀效果。综合考虑浇注料的各项性能,材料的配比为:w(矾土)=70%,w(莫来石)=11%,w(蓝晶石)=3%,w(SiC)=4%,w(铝酸钙水泥)=5%,w(SiO₂微粉)=3%,w(活性α-Al₂O3微粉)=4%,w(三聚磷酸钠)=0.15%。

研制的该浇注料可用于点火保温炉的炉顶、隔墙和点火段的侧墙,并且该浇注料已在马钢烧结厂、三明钢铁厂、本钢烧结厂、天津铁厂、南昌钢铁厂、涟钢、湘钢和武钢等国内钢铁厂的点火炉上使用,实际使用结果表明:该浇注料施工性能好,烘干和高温烧后强度高,荷重软化温度高,抗热震性好,点火炉内衬无大的剥落和开裂,使用寿命已超过4年,确保了正常的生产运行。

03

矾土基无水泥浇注料

加热炉、均热炉是轧钢或锻钢时用于加热和均热钢坯或钢锭的热工设备,用于烧嘴部位的耐火材料需有良好的高温耐火性能和抗热震性能以及优良的抗高温气流冲刷与烟尘侵蚀的性能。而现用的矾土水泥结合高铝质耐火浇注料抗热震性一般,耐剥落性差,使用寿命较短,一般为3~6个月;同时由于使用矾土水泥作结合剂,水泥中的CaO成分在高温使用时形成低熔物,降低了浇注料的耐火性能,使材料变形严重,改变了炉内温度场,从而影响了钢坯的加热质量。

为此,刘云等以矾土、蓝晶石和硅线石为原料,以ρ-Al₂O₃微粉和SiO₂微粉为结合剂,制备出矾土基无水泥浇注料。因ρ-Al₂O₃结合剂中w(Al₂O₃)=99.21%,杂质含量极低且不带入低熔物,因此不构成Al₂O₃-SiO₂-CaO系,材料在高温使用过程中不形成钙黄长石或斜长石这样的低熔物,从而提高了材料的高温性能。将蓝晶石和硅线石按照质量比为2∶1的比例引入到浇注料中,改善了材料的高温烧后线变化并提高了材料的抗热震性能。蓝晶石和硅线石的热膨胀系数较小,在高温下转变为莫来石的热膨胀系数也小,相变前后的晶相都有利于提高材料的抗热震性;同时由于蓝晶石和硅线石热膨胀系数的差异,导致在相的界面上产生微裂纹,利用微裂纹的增韧机制也提高了材料的抗热震性能。

04

铁水预处理脱硫喷枪浇注料

铁水预处理是提高钢铁产品质量,扩大钢材品种,降低成本的重要工艺手段。脱硫喷枪是预处理设备的重要组成部分,在使用过程中脱硫喷枪浇注料因受到渣液、铁水的搅动而需承受高温冲刷磨损,同时还需承受喷吹时枪体振动带来的机械破坏以及间歇作业时温度的骤然变化。因此,脱硫喷枪浇注料常常产生穿孔、开裂和熔损等现象,进而损坏钢管内芯,降低了脱硫喷枪的使用寿命,阻碍了生产,加大了生产成本。

对此,程伟以矾土、莫来石和蓝晶石为原料,以SiO₂微粉和铝酸钙水泥为结合剂,添加适量钢纤维,研制出一种适应攀钢工艺要求的铁水预处理脱硫喷枪浇注料。由于喷枪壁薄,使用时温度波动较大,枪体机械振动剧烈,因此枪体的高温体积稳定性非常重要,为尽量减少钢管内芯的热膨胀与浇注料的热膨胀的差异,必须使喷枪在中、高温条件下具有一定的膨胀。因此,适量蓝晶石的引入抵消了材料在高温和冷却过程中产生的收缩裂缝,从而提高了材料的使用寿命。将研制的该浇注料成型10支脱硫喷枪在攀钢使用,抗冲刷能力明显增强,平均使用寿命37.9次,较原喷枪使用寿命提高20次左右,保证了生产需要。但该浇注料在使用十几次后,仍存在环状裂纹,这也将影响其使用寿命,因此有待进一步解决浇注料与钢管内芯的热膨胀系数匹配问题。

05

莫来石基浇注料

莫来石基浇注料具有很强的抗爆裂性、较高的强度和优良的抗热震性等特点,适用于耐剥落及耐磨性优良的衬里部位。

为了进一步提高莫来石基浇注料的性能,郭敬娜等以莫来石、刚玉和蓝晶石为原料,以SiO₂微粉和苏州土为结合剂,研究了3种粒度的蓝晶石(0.8mm~0.355mm,0.355mm~0.088mm,<0.088mm)对莫来石-刚玉材料性能的影响。结果表明:随着温度的升高,加入粒度>0.088mm蓝晶石试样的线变化率增加,显气孔率增大,体积密度下降,耐压强度减小;而加入粒度<0.088mm蓝晶石试样的线变化率略有增加,显气孔率、体积密度和耐压强度变化不大。

含有3种粒度蓝晶石的试样中,引入粒度<0.088mm蓝晶石的试样具有较低的显气孔率、较大的体积密度和较高的耐压强度。由XRD曲线看出,粒度<0.088mm的蓝晶石在1200℃开始分解,在1300℃时完全分解,莫来石衍射峰的强度不断提高。粒度为0.355mm~0.088mm和0.8mm~0.355mm的蓝晶石分解温度升高,完全分解的温度提高至1400℃左右,快速分解温度在1200℃~1300℃,温度继续升高时,蓝晶石的分解量变化不大。虽然3种粒度的蓝晶石在1400℃时已完全或几乎完全分解,但由线变化率结果可知,含有3种不同粒度的试样在1400℃~1500℃区间仍在膨胀,根据Saruhan等的研究,莫来石的合成温度始于1470℃,因此在该温度区间的膨胀是由蓝晶石分解产生的SiO₂与Al₂O₃反应,即二次莫来石化反应造成的。

在本试验条件下,加入蓝晶石的粒度为<0.088mm,加入量为w(蓝晶石)=10%~15%。Belogurova等以蓝晶石、氧化镁、SiC和硅铁生产废弃物为原料,制备出具有优良抗热震性能的莫来石-堇青石复合材料。该材料经过1300℃→水冷条件下,热震循环次数可达45次。

06

硅酸铝纤维浇注料

隔热保温材料与致密材料相比具有密度低、热导率低、保温性能好等特点,被广泛应用于高温窑炉的隔热层和内衬,增加了窑炉的蓄热效果并减轻了窑炉的重量,在提倡低碳环保和可持续发展的理念下,具有很好的发展前景和研究意义。其中,硅酸铝纤维是一种重要的隔热材料。然而,传统的硅酸铝纤维材料主要以定形制品为主,如纤维板、毡、毯等,受到强度及施工条件的限制,不能广泛的应用于需满足一定强度和施工条件较为复杂的窑炉部位,并且纤维材料的定向收缩严重,容易因产生过大的裂缝而导致炉壁受损。随后发展的纤维不定形材料主要为纤维喷涂料,纤维喷涂料虽然克服了上述定形制品的缺点,但由于纤维喷涂料的强度低,易受机械力破坏,因此其应用范围有限。

为此,胡鹏以高铝纤维球、轻质莫来石、蓝晶石、α-Al₂O₃粉和SiO₂微粉为原料,以高铝水泥和硅溶胶为结合剂,研制出一种整体性好、施工方便、低导热性、高强度的硅酸铝纤维浇注料。硅酸铝纤维材料的体积密度非常低,内部具有很多的空气,同时由于硅酸铝纤维的直径非常细,一般为3μm~7μm,且纤维是一种非晶体物质,它具有比晶体高的内能,极不稳定,在高温下很容易析晶,因此纤维浇注料和其他浇注料相比,具有更大的高温体积收缩

蓝晶石的引入对纤维浇注料强度的影响不大。随着蓝晶石加入量的增多,材料的线收缩率先减小后增大,当w(蓝晶石)=5%时,材料具有小的线收缩率。倪文等为了减少莫来石隔热耐火浇注料的高温收缩,将蓝晶石作为膨胀剂引入到隔热浇注料中。结果表明:当蓝晶石加入量为w(蓝晶石)=25%时,隔热耐火浇注料经过1500℃×24h烧成后的线收缩率为0.8%,达到了设计要求。

07

焦宝石基浇注料

此外,焦宝石基浇注料具有优良的耐高温性能、耐熔融金属侵蚀和抗热震性能,适用于与铁水直接接触的转炉、铁水包等设备的衬里部位。作者等将蓝晶石引入到焦宝石基浇注料中,分别开发出不同种类的焦宝石基浇注料。由于蓝晶石的引入,这些浇注料在高温下均具有良好的体积稳定性能。

08

喷涂料

喷涂料是一种利用气动工具以机械喷射方法施工的不定形耐火材料,喷涂施工方法解决了普通施工方法在复杂或异型部位无法操作的难题。喷涂料已经作为冶金、水泥、石油和化工等工业窑炉的内衬材料而广泛使用。

矾土基喷涂料具有氧化铝含量高、耐火度高、强度大和耐磨性好等特点,但在高温下使用时常常由于收缩导致材料解体。为此,作者等以矾土、棕刚玉、叶蜡石、蓝晶石为原料,以铝酸钙水泥和硅微粉为结合剂,制备出高温下体积稳定的矾土基喷涂料,并研究了蓝晶石加入量和粒度对矾土基喷涂料性能的影响。结果表明:蓝晶石原矿的引入,抵消了基体材料的高温收缩,改善了材料的高温使用性能,延长了材料的寿命。当矾土基喷涂料经过1300℃和1500℃热处理后,试样的线收缩率随着蓝晶石含量的增加而减小。综合考虑线收缩率、常温抗折强度和耐压强度,当矾土基喷涂料中蓝晶石加入量为w(蓝晶石)=10%时,材料具有的性能。在粒度方面,矾土基喷涂料经过1300℃和1500℃热处理后,试样的线膨胀率随着蓝晶石粒度的增大而增大。矾土基喷涂料经过1000℃、1300℃和1500℃热处理后,试样的常温抗折强度和耐压强度随着蓝晶石粒度的增大而减小。粗粒蓝晶石莫来石化的结束温度要高于细粒蓝晶石的。

高炉在冶炼过程中,炉身部位的炉衬既受到含尘煤气流的机械冲刷和热力冲击,又受到煤气中碱金属元素及其他元素的化学侵蚀,使用环境非常恶劣,因此应用于此部位的耐火材料需要具有良好的低温和高温强度及耐磨性能、良好的抗热震性能和抗侵蚀性能等。秦岩等以耐磨性能高的电熔刚玉作为高炉喷涂料的主材质,添加SiC提高材料的抗渣性能,添加蓝晶石促进莫来石的生成和烧结,以SiO₂微粉、Al₂O₃微粉和纯铝酸钙水泥为结合剂,并添加适量的增粘剂、抗氧化剂和减水剂,研制出一种高炉用铝碳化硅质喷涂料。蓝晶石的引入,不但提高了材料的强度,改善了材料的抗热震性能、抗渣侵蚀性能和耐磨性能,而且减少了材料经过1500℃热处理后的线收缩率,增加了材料的体积稳定性。孟庆民等的研究表明:高炉喷涂料中Fe₂O₃的含量越高,材料抗CO的侵蚀能力越差。因此在制备高炉用喷涂料时,应尽量降低原料中Fe₂O₃的含量,以便提高材料抗CO侵蚀的能力和延长炉衬寿命。

09

可塑料

可塑料是由一定级配的耐火骨料、黏土细粉、水及化学结合剂按照一定比例经过充分混练而成的泥坯状或泥团状的具有一定粘性和可塑性的不定形耐火材料,多以捣打、震动的方法进行施工。与经过烧结的定形耐火材料和其他不定形耐火材料相比,可塑料具有更优的抗热震性能。可塑料主要作为钢铁工业中的各种加热炉、均热炉、退火炉、烧结炉以及电炉顶等的衬体材料使用。

矾土基可塑料是一种高铝质可塑料,具有较高的强度和耐火度以及优异的耐熔铁、熔钢、熔渣侵蚀性能,主要应用于点火炉、焚烧炉和烧嘴等。俄罗斯的一项研究表明:采用大安那多尔斯克耐火材料股份有限公司生产的矾土基可塑料在马格尼托哥尔斯克钢铁股份有限公司及亚速钢厂的350t钢包中制备了包衬。在浇铸第3次时,材料由于收缩在包底中出现裂纹,导致包衬使用寿命严重下降。因此,有必要向可塑料中加入可以补偿其收缩的材料。为此,俄罗斯的科技工作者研究了蓝晶石精矿对矾土基可塑料性能的影响。结果表明:当加入量w(蓝晶石)=8%时,矾土基可塑料在使用过程中具有良好的体积稳定性。将研制的该可塑料应用于大型钢包内衬,提高了钢包的使用寿命。

焦宝石基可塑料具有良好的抗剥落及耐渣侵蚀性能,适用于高温区段炉衬,主要应用于均热炉、加热炉和烧嘴等。与矾土基可塑料相比,成本较低。以焦宝石、叶蜡石、蓝晶石、矾土细粉、黏土和硫酸铝等为原料,研制出一种焦宝石基可塑料。结果表明:蓝晶石抵消了黏土在高温下的收缩,使材料在110℃~1300℃温度范围内具有良好的体积稳定性(图1)。在本试验条件下,当加入量w(蓝晶石)=10%时,材料具有的性能。将研制的这种焦宝石基可塑料应用于国内某钢铁厂加热炉低温段炉顶和烟道,实际使用结果表明:使用效果良好,未发生损坏现象。因此,这种焦宝石基可塑料可部分替代矾土基可塑料,起到节约成本、降低能耗的作用。

耐火泥

耐火泥又称火泥或接缝料,由耐火粉料、结合剂和外加剂组成,用作耐火制品砌体的砌缝材料。耐火泥除作砌缝材料外,也可以采用涂抹法或喷射法用作衬体的保护涂层。

王锡林等研究发现,在耐火泥中引入蓝晶石后,当其加入量超过一定量时,随着蓝晶石加入量的增加,材料的烧成收缩率虽减小,但材料的使用效果逐渐变差。将研制的含有蓝晶石的耐火泥在山西太原重型机器厂冶炼铸钢一厂进行试用,结果表明:电弧炉炉顶的砌筑性能良好,炉顶的使用寿命由原来的25~30次提高到40多次,原因是耐火泥的高温粘接性提高,确保了炉顶的整体性,从而提高了炉顶的使用寿命。该耐火泥不但能起到粘结耐火砖的作用,还能作为涂层材料使用。王锡林等经过改进,将这种耐火度高、高温粘结性好、抗热震性好的含有蓝晶石的耐火泥浆涂覆于局部温度过高的耐火砖表面上,结果表明:耐火泥浆的使用效果较好,炉顶的使用寿命增至51次。


联系我们

Contact Us

服务热线: 13938204844 ,15238069567

服务时间

7*24小时