瑞爾論文
高爐陶瓷杯用燒成磚與理化再結(jié)合磚的試驗(yàn)研究
高爐，陶瓷杯，耐火磚趙虎田（北京瑞爾非金屬材料有限公司）
摘 要：以燒成磚S、理化再結(jié)合磚F，理化再結(jié)合磚B，將B經(jīng)1550℃燒成后的試樣BS為試驗(yàn)對(duì)象，檢測(cè)了化學(xué)組成，常溫、中溫、高溫及使用性能等。通過(guò)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的比較、分析，認(rèn)為：理化再結(jié)合磚與燒成磚雖有某些性能上的些許差別，但無(wú)影響使用效果之本質(zhì)差異；理化再結(jié)合磚在體積密度、顯氣孔率上較燒成磚具有明顯優(yōu)勢(shì)，尤其中溫性能無(wú)降，更是此種耐材對(duì)提高高爐爐襯壽命具較大助益的獨(dú)有特征。
1 前言
通常，將普通耐火原料經(jīng)機(jī)壓成型、≥1350℃高溫?zé)傻哪突鸫u稱(chēng)為“燒成磚”；將以（≥1750℃）甚高溫電弧熔融料為骨料制成的耐火磚稱(chēng)為“再結(jié)合磚”；將加入化學(xué)結(jié)合劑制成的不燒或經(jīng)400～1000℃中溫?zé)崽幚碇瞥傻哪突鸫u磚稱(chēng)為“化學(xué)結(jié)合磚”。本文將（≥1750℃）甚高溫電弧熔融料、輔以超微粉物理結(jié)合、化學(xué)結(jié)合劑化學(xué)結(jié)合、經(jīng)400～1000℃中溫?zé)崽幚碇瞥傻哪突鸫u稱(chēng)為“理化再結(jié)合磚”。目前，高爐陶瓷杯主要由“燒成磚”或“理化再結(jié)合磚”砌筑，這兩類(lèi)磚綜合性能的系統(tǒng)、確切比較，一向是業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。
2 試樣制備
① S：某廠用于高爐陶瓷杯杯底、杯壁、風(fēng)口的燒成磚；
② F：瑞爾用于高爐風(fēng)口的理化再結(jié)合磚；
③ B：瑞爾用于高爐陶瓷杯杯壁的理化再結(jié)合磚；
④ BS：將理化再結(jié)合磚B，再經(jīng)1550℃燒成制備的試樣。
3 性能比較
3.1 化學(xué)性能
各試樣的化學(xué)成分見(jiàn)表1。
表1 各試樣的化學(xué)成分
試 樣 | Al2O3 （%） | Fe2O3 （%） | K2O （%） | Na2O （%） | SiO2 （%） | CaO （%） | TiO2 （%） | SiC （%） | 合計(jì) （%） |
S | 75.3 | 0.4 | 0.2 | 0.2 | 12.7 | 0.3 | 1.06 | 8.6 | 98.8 |
F | 77.6 | 0.4 | 0.2 | 0.2 | 7.9 | 0.4 | 1.77 | 10.2* | 98.7 |
B | 87.7 | 0.3 | 0.2 | 0.1 | 8.0 | 0.5 | 1.95 | - | 98.8 |
BS | 87.8 | 0.3 | 0.2 | 0.1 | 7.8 | 0.5 | 1.95 | - | 98.7 |
注：※為SiC+Si3N4合計(jì)含量。
3.2 物理性能
3.2.1 常溫物理性能
各試樣經(jīng)110℃×24h干燥后測(cè)得的常溫物理性能見(jiàn)表2。
表2 各試樣的常溫物理性能
試樣 | 體積密度（g/cm3） | 顯氣孔率（%） | 耐壓強(qiáng)度（MPa） | 抗折強(qiáng)度（MPa） |
S | 3.10 | 14.0 | 207 | 18.3 |
F | 3.21 | 10.5 | 105 | 15.9 |
B | 3.35 | 10.1 | 126 | 19.5 |
BS | 3.34 | 8.5 | 201 | 20.5 |
3.2.2 中溫物理性能
各試樣經(jīng)1200℃×3h燒后測(cè)得的中溫物理性能見(jiàn)表3。
表3 各試樣的中溫物理性能
試樣 | 體積密度 （g/cm3） | 顯氣孔率 （%） | 耐壓強(qiáng)度 （MPa） | 抗折強(qiáng)度 （MPa） | 重?zé)€變化率 （%） |
S | 3.09 | 13.9 | 185 | 15.0 | 0.07 |
F | 3.21 | 10.0 | 174 | 20.6 | 0.15 |
B | 3.35 | 9.8 | 188 | 19.8 | 0.18 |
BS | 3.34 | 8.8 | 208 | 19.5 | 0.05 |
3.2.3 高溫物理性能
各試樣經(jīng)1500℃×3h燒后測(cè)得的高溫物理性能見(jiàn)表4。
表4 各試樣的高溫物理性能
試樣 | 體積密度 （g/cm3） | 顯氣孔率 （%） | 耐壓強(qiáng)度 （MPa） | 抗折強(qiáng)度 （MPa） | 重?zé)€變化率 （%） |
S | 3.10 | 13.2 | 205 | 19.0 | 0.18 |
F | 3.20 | 10.2 | 190 | 20.0 | 0.21 |
B | 3.34 | 9.0 | 209 | 20.2 | 0.25 |
BS | 3.33 | 8.8 | 210 | 20.1 | 0.18 |
3.3 使用性能
各試樣的使用性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。
表5 各試樣的使用性能
試樣 | 荷重軟化溫度 （0.2 MPa，0.6%） | 耐火度 （℃） | 抗渣侵蝕 （%） | 抗鐵侵蝕 （%） | 抗堿性
|
S | 1660 | ＞1800 | 10.4 | 22.1 | 優(yōu) |
F | 1640 | ＞1800 | 9.1 | 16.9 | 優(yōu) |
B | 1650 | ＞1800 | 13 | 1.3 | 優(yōu) |
BS | 1670 | ＞1800 | 12 | 1.3 | 優(yōu) |
注：①耐火度檢測(cè)爐最大測(cè)值為1800℃，高于最大測(cè)點(diǎn)而尚未融軟變形者檢測(cè)中心均以＞1800℃出具報(bào)告；
②抗渣侵蝕為1550℃ⅹ5hr、抗鐵侵蝕為1570℃ⅹ5hr，均為靜態(tài)坩堝試驗(yàn)檢測(cè)值。
4 分析與討論
從各試樣的化學(xué)成分組成（見(jiàn)表1）角度看，某廠用于高爐陶瓷杯杯底、杯壁、風(fēng)口的燒成磚S與瑞爾用于高爐風(fēng)口的理化再結(jié)合磚F，兩者的化學(xué)成分相近，具有較強(qiáng)的可比性或曰可比基礎(chǔ)；而瑞爾用于高爐陶瓷杯杯壁的理化再結(jié)合磚B，與B再經(jīng)1550℃燒成的制備樣BS，系理化再結(jié)合磚1550℃高溫?zé)?、燒后試樣?/p>
4.1 體積密度與顯氣孔率的對(duì)比
圖1是各試樣體積密度的檢測(cè)值圖示，圖2是各試樣顯氣孔率的檢測(cè)值圖示?？梢?jiàn)：
1)用于風(fēng)口的理化再結(jié)合磚F的體積密度明顯高于機(jī)壓成型燒成磚S的體積密度；
2)用于風(fēng)口的理化再結(jié)合磚F的顯氣孔率顯著低于機(jī)壓成型燒成磚S的顯氣孔率。
耐材的體積密度、氣孔率與它的抗高溫剝落、抗氣體或液體介質(zhì)侵蝕具有極強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，而耐材抗高溫剝落和抗介質(zhì)侵蝕能力又是影響耐材壽命的主要因素之一。當(dāng)體積密度較高、氣孔率較低時(shí)，耐材具有較好的抗高溫剝落、抗氣體或液體介質(zhì)侵蝕的能力。據(jù)此可推斷，瑞爾用于高爐風(fēng)口的理化再結(jié)合磚F的抗高溫剝落性、抗氣體或液體侵蝕能力優(yōu)于機(jī)壓成型燒成磚S。
從圖1、圖2也可看出：瑞爾用于高爐陶瓷杯杯壁的理化再結(jié)合磚，1550℃燒前（B）、燒后（BS）的體積密度、氣孔率差異不大，表明1550℃的高溫?zé)膳c否，對(duì)理化再結(jié)合磚的抗高溫剝落性、抗氣體或液體侵蝕性應(yīng)當(dāng)沒(méi)有影響。
4.2 中溫強(qiáng)度
中溫耐壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度下降，即耐材中溫主要物理性能下降是機(jī)壓成型燒成磚的傳統(tǒng)弊病，其原因在于此類(lèi)耐材畢竟主要靠非高溫熔融的玻璃相為其結(jié)合基礎(chǔ)。
圖3、圖4是各試樣強(qiáng)度的檢測(cè)值圖示。由圖3、圖4可顯見(jiàn)，S即機(jī)壓成型燒成磚的中溫耐壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，其下降幅度雖然不算太大但畢竟仍然存在，對(duì)實(shí)際使用效果有負(fù)面影響。F即用于高爐風(fēng)口、B即用于高爐陶瓷杯杯壁的理化再結(jié)合磚，顯無(wú)中溫耐壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度下降現(xiàn)象。將B再經(jīng)1550℃燒成的BS的中溫耐壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度也無(wú)下降現(xiàn)象，其機(jī)理在于它們主要是靠理化再結(jié)合而非玻璃相結(jié)合。
從圖3可見(jiàn)，F(xiàn)、B試樣的常溫耐壓強(qiáng)度低于S和BS試樣，但它們的耐壓強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到100MPa以上，如此高的強(qiáng)度，已足以滿(mǎn)足轉(zhuǎn)運(yùn)、砌筑和使用之要求。
4.3 使用性能
試驗(yàn)檢測(cè)了各磚樣的荷重軟化溫度、耐火度、抗渣和抗鐵侵蝕性、抗堿性。在荷重軟化溫度、耐火度、抗堿性方面，各磚性能差別不大，但在抗渣、抗鐵侵蝕性能方面存在一定差別。圖5、圖6是采用靜態(tài)坩堝法進(jìn)行抗渣鐵侵蝕試驗(yàn)后的試樣實(shí)物照片。
圖5 各試樣抗渣侵后的形貌(上：出爐時(shí)；下：縱剖面)
圖6 各試樣抗鐵侵后的形貌(上：出爐時(shí)；下：縱剖面)
4.4 綜合評(píng)述
綜合化學(xué)、物理、使用即決定耐材壽命的三大性能，理化再結(jié)合磚與高溫?zé)纱u相比，除了常溫耐壓強(qiáng)度略低但已滿(mǎn)足需要外，其余性能毫無(wú)遜色，在體積密度、顯氣孔率上甚至明顯優(yōu)于燒成磚?？梢哉J(rèn)為兩者雖有某些性能上的些許差別，但無(wú)本質(zhì)或曰影響使用之差異，即便是這微許的優(yōu)劣也是各有千秋。究其原因要義有三：①恰當(dāng)?shù)某⒎畚锢斫Y(jié)合與適配的化學(xué)結(jié)合劑化學(xué)結(jié)合，兩者有機(jī)配合，確保了理化再結(jié)合磚的常溫、中溫、高溫必具的物理性能；②（≥1750℃）甚高溫電弧熔融料為原材料，避免了耐材制品在其使用過(guò)程的中、高溫期因組分相變誘發(fā)的缺陷，重?zé)€變化（見(jiàn)圖7）及荷重軟化溫度（見(jiàn)表5）即為可信力證；③理化再結(jié)合磚的工藝技術(shù)匹配了相適應(yīng)的中溫?zé)崽幚頃r(shí)間、溫度曲線。
值得注意的是：理化再結(jié)合磚摒棄了燒成磚中溫物理性能下降的通病，更是對(duì)耐材使用壽命有較大的助益。因?yàn)椋阂?，在高爐耐材爐襯的不同部位及高爐冶煉的不同爐役期，會(huì)有較大比例的耐材是處于中溫帶或中溫區(qū)間，也就是說(shuō)此時(shí)決定它們壽命的并非其常溫和高溫性能，乃是其恰處弱勢(shì)的中溫性能；二，這種性能起伏性波動(dòng)又并非一次性，乃是隨著其所受溫度場(chǎng)的高、低溫度變動(dòng)而性能相應(yīng)呈現(xiàn)高低、低高反復(fù)波動(dòng)。在中、高溫承載期的這種性能反復(fù)波動(dòng)，必將對(duì)其基體有所損傷。所以減輕機(jī)壓成型燒成磚中溫物理性能的下降幅度，一向是耐材界十分關(guān)注的課題。
本文實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)：S即某廠用于高爐陶瓷杯杯底、杯壁、風(fēng)口的燒成磚，抗鐵水侵蝕能力較差（見(jiàn)圖6）。筆者認(rèn)為此磚用于高爐風(fēng)口組合磚尚可，若用于風(fēng)口以下部位甚至爐底，就顯見(jiàn)其嚴(yán)重不恰當(dāng)，因?yàn)樗鼘⒖隙〞?huì)直接導(dǎo)致高爐風(fēng)口以下的耐材壽命顯著降低。
5 結(jié)論
1) 理化再結(jié)合磚與燒成磚相比，其化學(xué)、物理、使用即決定耐材壽命的三大性能，雖有某些性能上的些許差別，但無(wú)本質(zhì)或曰影響使用之差異，即便是這微許的優(yōu)劣也是各有千秋。
2) 理化再結(jié)合磚，在體積密度和顯氣孔率上所具有的明顯優(yōu)勢(shì)，以及其中溫性能無(wú)降的特性，是對(duì)高爐爐襯壽命具較大助益的獨(dú)有特征。
3) 高爐爐襯耐材配置中，對(duì)于a以渣液為主、鐵水較少；b鐵水為主、渣液較少；c甚至基本僅有鐵水而幾乎無(wú)渣液的不同區(qū)域，材質(zhì)選取上應(yīng)有區(qū)分方為恰當(dāng)。