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在鋼包工作層用耐火(huo)材料的研究中，為(wei)了(le)規(gui)避碳復合系(xi)耐火(huo)材料向鋼水(shui)中引入[C]的問(wen)題，同時確保鋼(gang)包工作(zuo)襯(chen)的抗侵蝕性能，研(yan)究者開發了以(yi)高(gao)純合成原(yuan)料為基礎的高(gao)純鋁鎂系耐火材(cai)(cai)料。該類材(cai)(cai)料自20世(shi)紀90年代(dai)末推廣(guang)以來，因其使用壽命長、不含碳(tan)、氧(yang)(yang)化(hua)硅和氧(yang)(yang)化(hua)鐵雜質含量低等優點而被鋼廠廣(guang)泛接受。高(gao)純鋁鎂(mei)系耐火材料主要(yao)包括剛(gang)玉-尖(jian)晶(jing)石澆注料、剛(gang)玉-氧化鎂澆注料(liao)及不燒(shao)磚等(deng)，其中(zhong)剛玉-尖晶石澆注料(liao)(liao)是目前使(shi)用(yong)最多和(he)研究(jiu)較深(shen)入的，這里也重(zhong)點(dian)介紹此類材料(liao)(liao)的特(te)點(dian)、發展及(ji)面臨的問(wen)題。
1、剛(gang)玉-尖晶石澆注(zhu)料的(de)特點
剛玉--尖(jian)晶石(shi)澆注(zhu)料(liao)是以(yi)鋁酸(suan)鈣水泥作為結合劑(ji)，以(yi)尖(jian)晶石(shi)細粉(fen)、鎂砂細粉(fen)、二氧化(hua)硅(gui)微粉(fen)等氧化(hua)物并輔(fu)以(yi)不同(tong)添加(jia)劑(ji)作為基質部分，以(yi)尖(jian)晶石(shi)(熔點2135℃)和剛玉(熔(rong)點2050℃)作(zuo)為骨(gu)料。該澆注料具有很強的(de)耐磨損(sun)和(he)抗沖刷的(de)能力和(he)很好的(de)化學穩定性，因(yin)而(er)可(ke)避免鋼水(shui)增碳或對(dui)鋼水(shui)的(de)總氧含量產生不利影響，同時在(zai)抗渣性和(he)抗熱震性方面均表(biao)現相對(dui)優(you)異。
2、剛玉-尖(jian)晶石澆(jiao)注料的研究方向
盡(jin)管剛玉--尖(jian)晶石澆(jiao)注(zhu)料(liao)(liao)(liao)作為鋼(gang)包工作襯(chen)用耐(nai)火(huo)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)已(yi)取得了廣泛(fan)的應用，但是(shi)其(qi)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)本(ben)身還存(cun)在以下幾個問題：首先，原位(wei)尖(jian)晶石生成(cheng)時伴隨的體積膨脹(zhang)，雖(sui)然(ran)能夠使材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)結構致(zhi)密(mi)并提高其(qi)抗(kang)渣(zha)滲透性能，但是(shi)也(ye)存(cun)在因膨脹(zhang)量過(guo)大(da)導致(zhi)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)龜裂和剝(bo)落(luo)的弊端；其(qi)次(ci)(ci)，高的致(zhi)密(mi)化(hua)往(wang)往(wang)會導致(zhi)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)抗(kang)熱震性的下降，材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)容易(yi)(yi)剝(bo)落(luo)；再次(ci)(ci)，熔渣(zha)與耐(nai)火(huo)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)的反(fan)應不(bu)可避免，該過(guo)程(cheng)容易(yi)(yi)向鋼(gang)水中引入夾雜(za)，尤其(qi)是(shi)大(da)尺寸(cun)夾雜(za)物，這些夾雜(za)物對高品質鋼(gang)的穩定性的損害是(shi)很嚴重的。因此(ci)，關于剛玉-尖晶石澆注料的(de)進展也是圍(wei)繞上面3個方面展開。
2.1提(ti)升澆注(zhu)料強度(du)及抗(kang)熱震性(xing)
圍繞澆注料(liao)強度和抗熱震(zhen)性的提(ti)升，研究(jiu)者(zhe)主(zhu)要采用(yong)調整原料(liao)組(zu)分、引入(ru)添加(jia)劑等(deng)方法來實現(xian)。高梅等(deng)采用(yong)添加(jia)燒結尖晶石細粉來提(ti)升剛玉-尖(jian)晶(jing)石(shi)澆注料的高(gao)溫抗折強度，結果(guo)表明直(zhi)徑小(xiao)于0.038mm的燒結尖(jian)晶石細粉加入質量分數為5%時試(shi)樣的高(gao)溫抗折強度(du)最高(gao)，抗熱震性最好(hao)。此外(wai)，尖晶石的類(lei)型(xing)和粒度(du)對澆注(zhu)料性能(neng)影響很重要(yao)，取決于這些尖晶石的分布和在高(gao)溫下的特定(ding)反應。
吳永生等研(yan)究(jiu)發現質量分數0.9%SiO2微粉能夠最大程度上提升剛(gang)玉-尖(jian)晶石(shi)抗熱(re)震性(xing)， 其原因在(zai)于SiO2微粉對(dui)試樣(yang)的促燒結作用產生的收縮和試樣(yang)中生成(cheng)原(yuan)位尖晶石時產生的膨脹達到平衡狀態(tai)。另有(you)研究(jiu)表明α-AI2O3微粉的(de)(de)添(tian)加可以提(ti)高澆注料的(de)(de)強度但會降(jiang)低材料的(de)(de)抗熱震性(xing)能。
除了調整原料組分外，引(yin)入其他組分也(ye)能夠對剛(gang)玉-尖晶石澆注料的高溫(wen)性(xing)能產生影響。連偉康等認為，添加3%質量分數ZrO2微粉可以最大程度上提升剛(gang)玉--尖晶石澆注料的(de)高溫抗(kang)折強度。圖1為1450℃高溫抗折(zhe)試驗后試樣的斷口形貌照片。可以(yi)看出(chu)， 沒有ZrO2引(yin)入時，纖維結構(gou)中存在大量互(hu)相(xiang)交織的板狀CaO6AI2O 3(CA 6) ，這易(yi)引(yin)起試樣(yang)體積膨脹， 空隙(xi)變大， 氧(yang)化鋁和(he)尖晶(jing)石顆粒(li)存(cun)在于(yu)板狀CA 6間(jian)隙之間(jian)； 當加入9%質量分數的ZrO2之后， CA 6的生成量(liang)減少， 部分ZrO2獨立(li)存在于(yu)基質中， 在受到外力作用時(shi)， 四方的ZrO2會發生相變，產生應(ying)力誘導相變增韌， 同時ZrO2顆粒上產生的微(wei)裂紋也(ye)可(ke)以吸收(shou)澆注(zhu)料(liao)中的主裂紋； 另一部分則反應生成Ca ZrO3， 使得結構變(bian)得相對致(zhi)密(mi)； 上述兩(liang)部分共同作(zuo)用，提高(gao)(gao)了澆注料的高(gao)(gao)溫抗折強度(du)。李(li)志剛與(yu)葉方保(bao)利用納米碳酸(suan)鈣(gai)高(gao)(gao)溫分解產生(sheng)的鋁酸(suan)鈣(gai)系(xi)礦(kuang)物(wu)來提升剛玉--尖(jian)晶石澆注料(liao)的高溫強度及抗(kang)熱(re)震性(xing)(xing)能。但是澆注料(liao)抵抗(kang)堿性(xing)(xing)渣(zha)的侵蝕(shi)性(xing)(xing)和滲(shen)透性(xing)(xing)變差，工業推廣難度較大。此外， 也有報道指(zhi)出(chu)了TiO 2和促凝劑對于澆注(zhu)料性質的影響， 其(qi)結果因澆注(zhu)料原料組分而異(yi)。
圖1 1450℃高溫抗(kang)折試(shi)驗后試(shi)樣斷口的顯微形貌。(a) 無ZrO2添加試樣；(b) 9%質量分數ZrO2微粉添加(jia)試樣
2.2澆(jiao)注料與鋼水(shui)/熔渣的反(fan)應
上述關于提升剛玉-尖晶(jing)石澆注(zhu)料高溫強度及抗熱震性能(neng)已取(qu)得較大的實際進展，但是這些進展并不(bu)能(neng)有(you)效(xiao)阻(zu)止澆注(zhu)料在(zai)高溫下與鋼水和(he)熔渣的反應。熔渣的侵(qin)蝕和(he)因滲(shen)透引起的結構剝落(luo)是剛(gang)玉-尖晶石澆注料(liao)(liao)耐(nai)(nai)火材料(liao)(liao)損(sun)毀最(zui)為主要(yao)的原(yuan)因， 熔渣中含有多種化學成分， 易與(yu)耐(nai)(nai)火材料(liao)(liao)主要(yao)成分發生如下反(fan)應生成2MnO SiO2 AI2O3、2CaO SiO2 Al2O3等(deng)夾雜。此類夾雜粒度通常在微納尺度，上浮去除的(de)(de)難度相對較大(da)，成(cheng)為鋼水中(zhong)夾雜物的(de)(de)主要來源之一(yi)。此外，精煉(lian)渣中(zhong)高含量的(de)(de)CaO滲透進澆注料后(hou)會(hui)引(yin)發A I 203→CA 6→CaO2 AI2O 3(CA2) /12CaO7AI2O 3(C12A 7) 的(de)連續膨脹反(fan)應過程。此(ci)膨脹過程與澆注料(liao)本體的(de)熱膨脹系數不(bu)匹配(pei)，最終導致反(fan)應滲透層本體料(liao)層逐步(bu)出現裂(lie)紋。在鋼包使用中易(yi)發生相應部位的(de)結構剝落，導致大尺寸的(de)外來夾雜物引(yin)入到鋼水中去。
張(zhang)殿軍與(yu)王會先研究(jiu)了不同堿度的精煉渣對剛(gang)玉-尖晶石澆注料(liao)侵蝕行為的影響，研究表明(ming)：相較于高堿(jian)(jian)度渣(zha)，低堿(jian)(jian)度渣(zha)對耐火(huo)材(cai)料(liao)的侵蝕作用更(geng)強。渣(zha)的組成不同及渣(zha)與澆注料(liao)反(fan)應的生成物不同是造成此差別的主要原(yuan)因。賈全利(li)等研究表明(ming)體系中(zhong)水(shui)泥(ni)質量(liang)分數(shu)≥6%時，剛玉--尖晶石澆注料的抗渣性能增強，其主要原因在于：增加的水泥與基質中的剛(gang)玉發生(sheng)反應， 生(sheng)成了更多板狀或片狀的CA 6， 增加了材料的致密(mi)性； 渣(zha)中的CaO與剛玉顆粒(li)反(fan)應(ying)形成鋁(lv)酸鈣，該過程伴(ban)隨的(de)體積膨脹效應(ying)能(neng)夠(gou)有效愈(yu)合(he)材(cai)料中的(de)氣孔(kong)并提高(gao)材(cai)料的(de)致密性(xing)，從而抑制渣的(de)滲透，促進材(cai)料抗渣侵蝕(shi)能(neng)力(li)的(de)提升。
近(jin)些年， 凱諾(nuo)斯(si)公司開發了(le)新(xin)一(yi)代鋁酸鹽水泥CMA 72， 該水泥中含有質(zhi)量分數70%的超細尖晶石， 這些平均(jun)粒徑僅為3um的(de)(de)(de)尖晶石能夠隨水泥均勻的(de)(de)(de)彌散于澆注料(liao)的(de)(de)(de)基質中，從而改善(shan)澆注料(liao)的(de)(de)(de)抗渣性能。但是(shi)這些超(chao)細的(de)(de)(de)結構(gou)往(wang)往(wang)會使澆注料(liao)燒結活(huo)性變大，導致整體的(de)(de)(de)抗震(zhen)性變差。為了減少這一(yi)負面(mian)效果，該(gai)水泥應(ying)用(yong)時需要提高粒度(du)尖晶石和大粒度(du)板狀剛玉(yu)的(de)(de)(de)比(bi)例。
盡管已(yi)有(you)研究在理解剛玉(yu)-尖晶石(shi)澆注料(liao)的(de)侵(qin)蝕機(ji)理(li)及提升材料(liao)抗(kang)侵(qin)蝕能(neng)力方面取得了一定(ding)的(de)進(jin)展，但是并沒有改變材料(liao)的(de)本質(zhi)， 即材料(liao)中(zhong)的(de)MgO、Al2O 3等(deng)成(cheng)分主要(yao)是以方鎂石(shi)、剛玉或者尖晶石(shi)等(deng)物相(xiang)引(yin)入。這(zhe)些(xie)材料(liao)的微粒(li)在(zai)冶煉狀態(tai)下(xia)(xia)可能(neng)未經完全蝕(shi)損而在(zai)吹氬(ya)或循(xun)環脫氣的攪(jiao)拌下(xia)(xia)進(jin)入到鋼水(shui)中，形(xing)成(cheng)AI2O3夾雜或基于(yu)AI2O3的(de)(de)復合夾(jia)雜(za)(za)(za)等，或成為(wei)(wei)微細夾(jia)雜(za)(za)(za)，或成為(wei)(wei)大尺寸夾(jia)雜(za)(za)(za)等。無論哪一種形(xing)式的(de)(de)夾(jia)雜(za)(za)(za)對超潔凈(jing)鋼(gang)性能的(de)(de)不利影響(xiang)都是(shi)很大的(de)(de)。
