鋼包用傳統(tǒng)透氣磚的主要材質(zhì)為鉻剛玉質(zhì)及剛玉-尖晶石質(zhì)，它們?cè)谑褂眠^程中經(jīng)常發(fā)生狹縫滲鋼現(xiàn)象，在重新使用前需進(jìn)行表面燒氧清掃，以清除狹縫內(nèi)的殘鋼，但燒氧清掃過程中產(chǎn)生的高溫造成透氣磚嚴(yán)重蝕損。然而SiAlON結(jié)合剛玉材料與鋼液的潤濕角較大，采用該材料制成的透氣磚基本上不出現(xiàn)狹縫滲鋼現(xiàn)象，因此無須進(jìn)行燒氧清掃，這樣既保證了吹通率，又提高了透氣磚的使用壽命。該公司的SiAlON結(jié)合剛玉質(zhì)透氣磚已在寶鋼LF爐上試用，效果良好，因此，對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行了研制。
1試驗(yàn)
試驗(yàn)用原料有工業(yè)用板狀剛玉、Si粉、A1203微粉、結(jié)合劑等。
以板狀剛玉為骨料，以A1203微粉、Si粉、結(jié)合劑等為基質(zhì)料。按基質(zhì)=70:30的比例配料，混合均勻后振動(dòng)澆注成40mmx40mmX160mm的塊狀試樣。試樣經(jīng)室溫養(yǎng)護(hù)24 h，60℃養(yǎng)護(hù)12h后脫模，110℃干燥24h，最后在工業(yè)氮化爐內(nèi)于1450℃氮化燒成6h。
氮化燒成后試樣按相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試各種物理性能，其中高溫抗折強(qiáng)度測(cè)試條件為1400℃保溫0.5h。
采用XRD分析材料物相組成。
抗渣試驗(yàn)采用靜態(tài)坩堝法。坩堝試樣的內(nèi)孔尺寸(45~50)mmX60mm、外部尺寸(90~100)mmX100mm。渣的化學(xué)組成(w)為：A1203 25.78%，Si02 10.16%，F(xiàn)e203 8.26%，CaO 50.01% ，Mg0 6.04%，R20 0.91%，試驗(yàn)條件為1550℃埋炭。采用SEM分析抗渣試驗(yàn)后試樣的化學(xué)礦物組成及顯微結(jié)構(gòu)變化。
熱震穩(wěn)定性分別以經(jīng)1100℃≒風(fēng)冷3次循環(huán)及1100℃水冷1次后試樣的抗折強(qiáng)度保持率來評(píng)價(jià)。
2 結(jié)果與討論
2.1結(jié)合體系對(duì)材料性能的影響
試驗(yàn)了4種類型的結(jié)合體系。由表1的試驗(yàn)結(jié)果可知，采用不同結(jié)合體系的4種試樣，氮化燒成后的線變化率大多為負(fù)值，顯氣孔率很低，體積密度較大，常溫強(qiáng)度較高，表明試樣燒結(jié)較充分。此外，試樣的熱震穩(wěn)定性良好。
表1 不同結(jié)合體系的試樣的性能
比較發(fā)現(xiàn)，在這4種不同結(jié)合體系的試樣中，采用水化結(jié)合體系的1#試樣的需水量相對(duì)較低，燒后顯氣孔率低，脫模強(qiáng)度和燒后常溫及高溫強(qiáng)度較高；而采用水合結(jié)合體系的2#試樣的高溫強(qiáng)度和抗熱震性明顯優(yōu)于其他試樣，但其脫模強(qiáng)度較低。綜合考慮，選擇水化結(jié)合作為本研究的結(jié)合體系。
2.2 Si粉加入量對(duì)材料性能的影響
表2 Si粉加入量對(duì)材料性能的影響
Si粉加入量不同，材料中反應(yīng)生成的SiAlON結(jié)合剛玉質(zhì)透氣磚透氣值就不同，這對(duì)材料性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。采用水化結(jié)合體系，研究了Si粉加入量對(duì)材料性能的影響。從表2的結(jié)果可以看出：
1) 各試樣燒后線變化率均為正值(膨脹)，且其膨脹量有隨著Si粉加入量的增多而增大的趨勢(shì);
2) 各試樣燒后質(zhì)量變化率隨著Si粉加入量的增加而增大，與理論燒后質(zhì)量變化率計(jì)算結(jié)果相符;
3) Si粉加入量為9.5%~11.5%時(shí)，材料的需水量較小，高溫抗折強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度保持率高，其中Si粉加人量為9.5%時(shí)，材料的燒后線變化率小，顯氣孔率低，體積密度大，強(qiáng)度高，熱震穩(wěn)定性好，具有較好的綜合性能。
2.3助燒結(jié)劑Ln203對(duì)材料性能的影響
為了使材料能在較低的溫度下燒結(jié)，須添加適當(dāng)?shù)闹鸁Y(jié)劑，為此研究了助燒結(jié)劑Ln2O3加入量對(duì)材料性能的影響，結(jié)果見表3。可以看出，隨著Ln203加入量的增加，材料的燒后線變化率減小，顯氣孔率降低，體積密度和常溫抗折強(qiáng)度增大，高溫抗折強(qiáng)度略有降低，表明Ln2O3有助于促進(jìn)材料燒結(jié)。但由于加入燒結(jié)助劑會(huì)降低材料高溫強(qiáng)度，因此不宜多加，確定其最佳加入量為0.5%。
表3 助燒結(jié)劑Ln203添加量對(duì)燒后材料性能的影響
由XRD分析結(jié)果可知：試樣中無殘余Si，Si粉全部氮化生成β-SiA10N和少量Si2N20，表明氮化反應(yīng)完全。抗氧化試驗(yàn)結(jié)果表明，材料在1300℃試驗(yàn)條件下氧化增重很小。
2.4 材料抗渣性研究
選擇水化結(jié)合體系，Si粉加入量9.5%，Ln203加入量0.5%的試樣進(jìn)行抗渣試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后將坩堝縱向?qū)ΨQ剖開，觀察渣的滲透、侵蝕情況，并用SEM進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)分析。
外觀觀察發(fā)現(xiàn)，坩堝僅被輕微侵蝕，侵蝕層厚1~2mm，由渣滲透造成的變質(zhì)層厚約3mm。表明材料抗渣侵蝕和滲透的能力強(qiáng)，抗渣性良好。
侵蝕后的試樣可分為掛渣層、變質(zhì)層(反應(yīng)層)和原磚層。各層的情況如下：
圖1 抗渣試驗(yàn)后試樣的SEM照片(1550℃ 8h埋炭)
1) 掛渣層。如圖1(a)所示。該層中存在深灰色粒狀MA晶體和柱條狀的C2AS、CAS2等鈣鋁硅酸鹽(其組成(w)為A1203 29.54%，Si02 32.2%，CaO 38.26%)低溶點(diǎn)相，渣中原有的較多的Fe203已全部滲入坩堝，并與坩堝成分發(fā)生反應(yīng)。
2) 變質(zhì)層。變質(zhì)層中的SiAlON已全部與滲入的渣發(fā)生反應(yīng)。根據(jù)反應(yīng)生成的物相的不同，該層又可細(xì)分為3層：
(a) MA層。如圖1(b)所示，厚度約0.8mm。該層中的剛玉顆粒被嚴(yán)重侵蝕，并在顆粒邊緣生成了一層MA;顆粒內(nèi)部的Al203則反應(yīng)生成大量的MA顆粒，這些顆粒分布于C2AS、CAS2等鈣鋁硅酸鹽低熔點(diǎn)相間。基質(zhì)已與渣中成分完全反應(yīng)，生成了大量的鈣鋁硅酸鹽低熔點(diǎn)相。
(b)A2S2層。如圖1(c)所示，厚度約0.6mm。剛玉顆粒侵蝕程度較MA層有所減輕，剛玉顆粒與渣反應(yīng)，由外而內(nèi)依次生成較厚的致密MA層、薄的C2AS、CA2層和較厚的CA6層。基質(zhì)與滲入的渣反應(yīng)生成大量針柱狀A(yù)3S2骨架，中間夾雜少量鈣鋁硅酸鹽低熔點(diǎn)相。此外，A3S2骨架間均勻分布有大量亮白色的Fe，這些Fe應(yīng)當(dāng)是渣中的Fe203滲透進(jìn)入后被材料中的SiAlON還原生成的。
(c)過渡層。如圖1(d)所示，厚度2~3mm。該層中的剛玉顆粒未被侵蝕，基質(zhì)則與渣反應(yīng)生成了較多的鈣鋁硅酸鹽低熔點(diǎn)相。基質(zhì)面組成(w)為：A1203 49 %，Si02 45.6%，CaO 5.4%。
3) 原磚層。如圖1(e)、l(f)所示。該層結(jié)構(gòu)很致密，基質(zhì)中有SiAlON存在。SiAlON的大致組成(w)如下：Al 27.17%，Si 44. 13%，N 18. 86%，O 9.84%。此外，該層的基質(zhì)中還存在少量A3S2。
3試制
選擇水化結(jié)合體系，Si粉加入量9.5%，Ln203加入量0.5%的配方試制透氣磚。為防止因原料密度不均造成的顆粒偏析，生產(chǎn)時(shí)要適當(dāng)縮短振動(dòng)時(shí)間。
試制過程中發(fā)現(xiàn)：用于成型SiAlON結(jié)合剛玉質(zhì)透氣磚的混合料的成型性能良好;經(jīng)過合理的養(yǎng)護(hù)和干燥，脫模后的磚芯強(qiáng)度較高，邊角保持完好；1450℃氮化燒成的成品率高，燒后透氣磚外觀良好。試制磚的主要性能指標(biāo)如表4所示。
表4 試制的SiAlON結(jié)合剛玉質(zhì)透氣磚的主要性能指標(biāo)
4結(jié)論
(1) 以板狀剛玉顆粒、Si粉、A1203微粉等為主要原料，在工業(yè)氮化爐內(nèi)低溫?zé)桑梢栽诓牧现型ㄟ^ 原位反應(yīng)生成SiAlON相，從而生產(chǎn)出SiAlON結(jié)合剛玉質(zhì)耐火材料。
(2) 采用水化結(jié)合系統(tǒng)，用于生產(chǎn)SiAlON結(jié)合剛玉質(zhì)透氣磚的混合料需水量小，成型性能好;燒成后的透氣磚顯氣孔率低，強(qiáng)度和抗熱震性較好。
(3) 當(dāng)Si粉加入量為9.5%時(shí)，材料具有較高的強(qiáng)度，較低的氣孔率，良好的熱震穩(wěn)定性以及合適的燒后線變化率。
(4) 加入0.5%的助燒結(jié)劑Ln203時(shí)，材料具有合適的燒后線變化率，從而能夠滿足透氣磚的通氣量要求。