中频感应炉用刚玉质干式捣打料烧结性的研究
摘要 分析了某进口刚玉质干式捣打料的化学组成、粒度组成及相组成，对比研究了该干式捣打料与添加不同烧结剂的自配试样的烧结性能。结果表明：此种刚玉质干式捣打料不能单纯追求高强度；烧结剂以高温烧结剂为宜，加入量不能太高，烧结层的扩展和强度的升高应缓慢进行，这样才有利于提高材料的使用寿命。
关键词 干式捣打料，刚玉质，中频感应炉，烧结性
感应炉用刚玉质干式捣打料是影响感应炉正常工作的重要材料。工作时，干式捣打料与高温熔体接触的工作面烧结形成具有一定强度的烧结层，非工作面仍保持未烧结的散状结构，这种结构具有阻止工作层裂纹前移和吸收裂纹的作用，故研究其烧结性能对提高炉衬材料的寿命有重要的意义。陈肇友[1]曾从相图角度对干式捣打料的组成、烧结剂种类与加入量进行了系统分析。本实验对比研究了进口与自配的刚玉质干式捣打料的烧结性能。
1、实验
1.1进口料的剖析
对进口的刚玉质干式捣打料分别进行了化学分析、粒度分析和XRD分析。进口料的化学组成为：ω（Al2O3）=86.1%，ω（SiO2）=0.74%,ω(Fe2O3)=0.6%,ω(CaO)=0.2%,ω(MgO)=11.07%,ω(灼减)=0.35%。进口料的主要物相为刚玉和方镁石。其粒度组成见表1。
表1 进口料的粒度组成
| 粒度/mm | ＞5 | 2.5-5 | 0.63-2.5 | 0.1-0.63 | 0.09-0.1 | 0.05-0.09 | ＜0.05 |
| ω/% | 2.69 | 13.86 | 31.51 | 30.51 | 1.83 | 12.2 | 7.3 |
1.2实验用原料、粒度及试样配方
根据剖析结果，确定实验用原料为电熔致密刚玉、电熔镁砂及少量添加剂。电熔致密刚玉的粒度分别为：3-5mm、1-3mm、0-1mm、0.05-0.1mm和＜0.5mm，电熔镁砂的粒度分别为0.1-0.63mm和0.1mm，各试样的配方见表2。
表2 各试样的配方（ω）
| 试样编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
| 电熔致密刚玉 | ||||||||||||
| 3-5mm | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| 1-3mm | 30 | 25 | 25 | 25 | 25 | 25 | 25 | 25 | 25 | 25 | 25 | 25 |
| 0-1mm | 27 | 30 | 30 | 30 | 30 | 32 | 32 | 30 | 30 | 32 | 32 | 30 |
| 0.05-0.1mm | 14 | 14 | 13 | 13 | 14 | 14 | 14 | 13 | 14 | 14 | 14 | 14 |
| ＜0.5mm | 8 | 8 | 7 | 7 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 |
| 电熔镁砂 | ||||||||||||
| 0.1-0.63mm | 10 | 10 | 10 | 10 | - | 10 | 10 | 10 | 10 | 5 | 5 | 5 |
| ＜0.1mm | - | - | - | - | 10 | - | - | - | - | 5 | 5 | 5 |
| 烧结剂 | ||||||||||||
| 苏州土 （＜0.09mm） |
1 | 1 | - | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | - | 1 | 0.5 | 0.5 |
| 硼酸 （＜0.09mm） |
- | 2 | 2 | 2 | 2 | - | 0.5 | - | - | 0.5 | 0.2 | - |
| 石英 （＜0.044mm） |
- | - | 3 | - | - | - | - | 3 | 3 | - | - | - |
| （0.21-0.105mm） | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 2.5 |
| 钾长石 （＜0.09mm） |
- | - | - | 2 | - | - | - | - | - | - | - | - |
1.3试样的制备
在高铝砖上钻出一系列φ42mm的坩埚做模具，将进口料和自配料分别装入坩埚，手工捣打后装入高温炉内800℃保温3h煅烧，然后冷却至室温。发现进口试样的自配料的1#、6#、11#试样呈疏松状，无法脱模，其余试样均有一定强度。重新装料、捣打，放入高温炉内在1200℃下保温3h煅烧，冷却至室温，此时进口料样口及1#-12#试样均有一定强度，脱模后将进口料试样及1#-12#试样再次放入高温炉内在1500℃下煅烧，保温3h。冷却至室温取出试样，测量试样直径，算出线变化率，对各试样分别各取3块测显气孔率、体积密度及耐压强度，将进口料和自配料部分试样做SRD分析。
2、结果与分析
1500℃3h烧后进口料试样及自配1#-12#试样的线变化率、体积密度、显气孔率、常温耐压强度如表3所示。
表3 各试样的物理性能
| 试样 | 线变化率/% | 体积密度/ （g?cm-3） |
显气孔率/% | 耐压强度/MPa |
| 1 | 6.7 | 2.62 | 31 | 34 |
| 2 | 12.53 | 2.17 | 41 | 23 |
| 3 | 8.23 | 2.47 | 31 | 110 |
| 4 | 16.48 | 2.15 | 41 | 29 |
| 5 | 3.96 | 2.66 | 29 | 91 |
| 6 | 3.46 | 2.77 | 28 | 45 |
| 7 | 11.24 | 2.25 | 41 | 19 |
| 8 | 3.88 | 2.77 | 26 | 86 |
| 9 | 6.08 | 2.86 | 24 | 113 |
| 10 | 6.26 | 2.35 | 31 | 47 |
| 11 | 5.83 | 2.59 | 33 | 31 |
| 12 | 2.81 | 2.75 | 26 | 84 |
| 进口料 | 3.92 | 2.67 | 30 | 13 |
从表3可以看出，进口料试样的耐压强度最低，为13MPa；XRD分析表明，其烧后试样中的主晶相为刚玉，其次是未反应的方镁石，还有少量 的镁铝尖晶石。这说明，进口干打料中几乎没有或仅含极微量的促烧剂，烧结过程属因固相烧结。Al2O3和MgO反应开成MgO.Al2O3的过程是 一个固相反应过程，在没有液相参与的情况下，这一反应进行得较为缓慢，故试样中还有较多的方镁石相，并且烧后的耐压强度较低。在配料时引入MgO主要是在使用过程 中形成镁铝尖晶石，以降低铁水或渣在耐火材料中的渗透性，并能提高材料的热震稳定性。文献[2]表明：用铝钒土和轻烧氧化镁为原料合成尖晶石时，960℃出现微量尖晶厂，1350℃尖晶石含量明显增加。本实验所用原料为电熔镁砂和电熔刚玉，化学活性低，形成尖晶石的温度可能更高。从XRD分析可知，尖晶石的峰值比刚玉和方镁石都低，故进口料试样在1500℃3h下仅形成少量尖晶石。由于进口料试样1500℃3h下强度很低，故该料在实际使用过程中与铁水接触的工作层是逐渐烧结的，并且烧结层扩展的速度很慢，其余保持疏松状态，阻止裂纹的扩展和提高材料的耐急热急冷性，所以使用寿命较高。
自配料中，加入石英的试样（3#、8#、9#、12#）的常温耐压强度都很高。但文献[1]已说明石英不适合作为Al2O3-MgO系干式捣打料的烧结剂。
硼酸和钾长石是中温烧结剂，各加2%（2#、3#、4#、5#）时，强度也较高，且2#、4#的线变化率最大。硼酸能与Al2O3形成不一致熔融化合物，此化合物在1035℃发生熔融分解；钾长石的熔点为1130℃，在尖晶石形成的温度范围内，有液相的参与，尖尖晶石形成的速度较快，生成量也较多。2#的XRD分析发现，剩余的未反应的方镁石量很少，MgO几乎都转化为MgO.Al2O3，故线变化率较大。
苏州土属高温烧结剂，当加入量为1%时，1#、6#、10#配方的烧后强度虽比加其他烧结剂的配方有大幅度降低，但仍比进口试样高。当加入量减少为0.5%时，如11#，强度有所降低。11#样的XRD分析表明，其物相组成的为刚玉、尖晶石和方镁石。物相组成及理化指标接近于进口料。
料11#配方于某厂5t中频炉现场使用时，炉龄接近进口料的寿命，取得了较好的效果。
3、结论
（1）中频感应炉用刚玉质干式捣打料，不能单纯追求高强度，工作层应该是逐步烧结的。
（2）本实验所研究的刚玉质干式捣打料的烧结剂应采用高温烧结剂，加入量应在0.5%以下。
参考文献
1陈肇友.从相图解析干式捣打料.耐火材料，1998，32（1）：45-48
2王金相.用天然原料合成镁铝尖晶石的研究.第二届国际耐火材料学术会议论文集，北京：1992.9
