硼對(duì)干式凝聚鋁鎂質(zhì)干制料性能的影響

硼對(duì)干式凝聚鋁鎂質(zhì)干制料性能的影響

在用復(fù)合爐加熱和生產(chǎn)能力方面，通常采用鋁鎂質(zhì)干燥劑。鋁鎂質(zhì)干式搗打料以剛玉為主材質(zhì),少量鎂砂以細(xì)粉形式加入可優(yōu)化基質(zhì)。以剛玉為基礎(chǔ)的耐火材料通常加入硼酸作助燒結(jié)劑,在爐襯燒結(jié)過(guò)程中硼酸脫水轉(zhuǎn)化為氧化硼,高溫時(shí)氧化硼既起到高溫粘結(jié)劑作用,又能促進(jìn)工作層的燒結(jié)。另外,鋁鎂質(zhì)干式搗打料在高溫使用過(guò)程中,剛玉會(huì)與鎂砂反應(yīng)生成鎂鋁尖晶石,有研究認(rèn)為氧化硼可以降低鎂鋁尖晶石的合成與燒結(jié)溫度,而對(duì)材料性能不產(chǎn)生明顯的危害。硼酸加在鋁鎂質(zhì)干式搗打料中具有以上兩方面的作用,但對(duì)這兩方面綜合之后的作用機(jī)理未見有詳細(xì)報(bào)道,本文從這兩個(gè)方面入手研究了不同硼酸加入量對(duì)鋁鎂質(zhì)干式搗打料性能的影響,以期對(duì)實(shí)際生產(chǎn)及應(yīng)用起到一定的指導(dǎo)作用。1試驗(yàn)方法和試樣試驗(yàn)所用原材料及化學(xué)組成見表1。其中電熔白剛玉粒度為5～3mm、3～1mm、1～0.074mm和≤0.074mm,電熔鎂砂為≤0.074mm的細(xì)粉。配料時(shí)電熔白剛玉和電熔鎂砂加入量保持不變,骨料與基質(zhì)比例為7∶3,硼酸為外加。依據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn),改變硼酸加入量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)分別為:0、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%進(jìn)行試驗(yàn),試樣編號(hào)為B1、B2、B3、B4和B5。按擬定好的配方配料,混合攪拌均勻。將混好的料裝入Φ36mm×30mm的尖晶石模具內(nèi),手工搗打成型。每個(gè)配比制9個(gè)試樣,全部帶模裝入高溫爐內(nèi)升溫至1200℃,保溫3h,冷卻后脫模。每個(gè)配比均取出6個(gè)試樣再次放入高溫爐內(nèi)煅燒,其中3個(gè)試樣1500℃煅燒,3個(gè)試樣1630℃煅燒,均保溫3h。測(cè)定燒后試樣的體積密度、線變化率和常溫耐壓強(qiáng)度。采用靜態(tài)坩堝法進(jìn)行抗渣性能檢測(cè),試驗(yàn)溫度1630℃。渣樣采用某鋼廠8t中頻煉鋼爐爐渣,其主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為:40.54%CaO,25.53%Al2O3,12.76%SiO2,7.86%MgO,5.48%MnO。觀察渣浸斷面,取樣磨平拋光,利用SEM進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察與分析,并用EDAX分析微區(qū)成分。2結(jié)果與討論2.1熱處理對(duì)燒結(jié)性能的影響硼酸加入量對(duì)搗打料常溫物理性能的影響見圖1～圖3。由圖1、圖2可知,在1200℃燒成后,不加硼酸的試樣其線變化率較小,體積密度較大,加入硼酸以后,線變化率增大,體積密度減小,但隨硼酸加入量的增加,材料的線變化率和體積密度變化不大;在1500℃和1630℃燒成后,不加硼酸和加不同量硼酸的試樣其線變化率均較大,體積密度均較低,且線變化率明顯高于、體積密度明顯低于1200℃燒成后的試樣。關(guān)于添加劑對(duì)促進(jìn)燒結(jié)的作用,通常劃分為由固溶引起的效果和由液相生成而引起的效果兩種。硼酸在加熱過(guò)程中逐漸脫水生成硼酸酐(B2O3),B2O3在450℃時(shí)熔化與剛玉反應(yīng)生成不一致熔融化合物2Al2O3·B2O3,2Al2O3·B2O3在1035℃發(fā)生熔融分解從而促進(jìn)了干式搗打料的燒結(jié),屬液相燒結(jié)。同時(shí),B2O3能與合成料中的MgO和Al2O3形成填隙型和置換型的固溶體,在結(jié)晶表面及晶粒界面處濃縮,影響界面性質(zhì),降低離子擴(kuò)散的活化能,從而促進(jìn)尖晶石的形成。所以加硼酸的試樣在1200℃燒成后其尖晶石生成量較不加硼酸的試樣要多,而MgO與Al2O3在反應(yīng)生成尖晶石時(shí),會(huì)產(chǎn)生較大的體積膨脹,于是在宏觀上表現(xiàn)為加硼酸試樣的線變化率較不加硼酸的大。但隨硼酸加入量的增加,試樣的線變化率和體積密度變化并不大,這說(shuō)明1200℃時(shí)B2O3在剛玉和方鎂石中的固溶度較小,對(duì)界面性質(zhì)影響有限,并不隨硼酸加入量的增加使得試樣中尖晶石大量生成。隨著燒成溫度的提高,溫度能夠增加Mg2+、Al3+的活化能,提高它們的擴(kuò)散速度,在不加硼酸的試樣中也會(huì)大量生成尖晶石,所以在1500℃和1630℃燒成后,不加硼酸和加不同量硼酸的試樣其線變化率均較大,體積密度均較低。這同時(shí)也說(shuō)明硼酸不能緩解尖晶石大量生成時(shí)產(chǎn)生的體積膨脹,即硼酸雖然有一定的促進(jìn)尖晶石的形成的效果,但對(duì)促進(jìn)材料致密化方面作用不明顯。由圖3可知,在各個(gè)溫度燒成后,隨著硼酸加入量的增加,材料的常溫耐壓強(qiáng)度都逐漸增加。但對(duì)同一硼酸加入量的試樣,當(dāng)其加入量小于0.6%時(shí),隨燒成溫度的提高,試樣強(qiáng)度降低;當(dāng)硼酸加入量大于0.6%以后,才隨燒成溫度的提高,試樣強(qiáng)度增大。在其他條件一定情況下,硼酸加入量對(duì)材料常溫耐壓強(qiáng)度的影響是隨著硼酸加入量的增加,燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的液相量多,對(duì)材料的燒結(jié)促進(jìn)作用增強(qiáng),所以隨著硼酸加入量的增加,材料的常溫耐壓強(qiáng)度都逐漸增加。但在硼酸加入量小于0.6%時(shí),因加入量較小,對(duì)材料燒結(jié)促進(jìn)作用有限,高溫?zé)蓵r(shí)因尖晶石大量生成產(chǎn)生的膨脹對(duì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞太大,使得1500℃和1630℃燒成后的強(qiáng)度反而低于1200℃燒成后的強(qiáng)度。當(dāng)硼酸加入量大于0.6%以后,使材料產(chǎn)生足夠的燒結(jié)強(qiáng)度,能夠抵抗因尖晶石生成產(chǎn)生的膨脹對(duì)材料結(jié)構(gòu)的破壞時(shí),材料的高溫(1500℃和1630℃)燒后強(qiáng)度才提高。2.2抗渣及滲流層中ca選取具有代表性的試樣制出坩堝進(jìn)行抗渣試驗(yàn)。圖4～圖7是硼酸加入量為0.6%和1.0%的B3、B5試樣渣浸后侵蝕層、滲透層的微觀結(jié)構(gòu)形貌照片及其能譜分析圖。由圖可見,B3試樣的侵蝕層和滲透層結(jié)構(gòu)均勻致密;而B5試樣侵蝕層和滲透層結(jié)構(gòu)較疏松,有明顯被侵蝕后的空洞存在。即B3試樣的抗渣性能較B5試樣要好。同時(shí)由能譜分析圖可知,在兩試樣的滲透層中Mn、Fe元素都滲入較少,但CaO在兩試樣中滲入不一樣,B3試樣的侵蝕層中Ca含量較低,到滲透層中Ca含量增加;而B5試樣的侵蝕層和滲透層中Ca含量相差不大,似乎是均勻滲入的。資料介紹,鋁鎂質(zhì)材料的抗渣機(jī)理一方面是渣中的CaO與材料中的Al2O3反應(yīng),生成針狀和條柱狀的CA6,使?jié)B透層結(jié)構(gòu)致密,抑制渣的進(jìn)一步滲透;同時(shí)尖晶石固溶MnO、FeO等成分形成(Mg,Mn,Fe)O·Al2O3復(fù)合尖晶石,減弱其侵蝕能力;而且由于CaO和MnO、FeO的降低,渣向富SiO2組成變化,使渣的粘度增大,滲透能力降低。也就是在B3、B5試樣中由于有尖晶石的生成,使其都具有較強(qiáng)的抗MnO、FeO侵蝕的能力,在滲透層中Mn、Fe元素都侵入較少,即MnO、FeO在侵蝕層中已被大量捕捉了。但CaO在兩試樣中的滲入情況不一樣,B3試樣滲透層中Ca含量較高,大量生成CA6形成了致密層,使其組織均勻致密;而B5試樣的滲透層未及形成致密層,其侵蝕層和滲透層形貌相似,這只能使侵蝕加劇。李景仁研究B2O3對(duì)感應(yīng)爐高鋁礬土坩堝的高溫粘結(jié)機(jī)理時(shí)認(rèn)為,當(dāng)適量的堿性氧化物同B2O3共融時(shí),堿性氧化物給出“游離氧”,而B2O3獲得“游離氧”,使硼在熔體中的結(jié)構(gòu)由三角體網(wǎng)絡(luò)[BO3]3-(平面結(jié)構(gòu))變成四面體網(wǎng)絡(luò)[BO4]4-(空間骨架結(jié)構(gòu))。轉(zhuǎn)化的結(jié)果使熔體中硼氧的網(wǎng)絡(luò)連接程度增強(qiáng),分子量增大,分子移動(dòng)或擴(kuò)散困難,即粘度提高。當(dāng)試樣中加入硼酸時(shí),在高溫下產(chǎn)生液相,但因其粘度較大,在適量的范圍內(nèi),對(duì)材料的抗渣性不會(huì)造成大的影響,但如果硼酸加入量過(guò)大,高溫下產(chǎn)生液相較多,使渣在材料中遷移加快,仍會(huì)加劇侵蝕,這就導(dǎo)致了B5試樣抗渣性的降低。3硼加入量對(duì)水泥材料抗渣性的影響(1)硼酸雖然有一定的促進(jìn)尖晶石形成的效果,但在促進(jìn)材料致密化方面作用不明顯,使燒后試樣線變化率較大,體積密度較小。(2)當(dāng)硼酸加入量大于0.6%以后,