尖晶石对不烧MgO-MA-C及Al2O3-MA-C质耐火材料抗氧化性的影响

　　­郭红丽 孙庚辰 石千 杜军卫­

　　中钢集团洛阳耐火材料研究院 洛阳 471039

摘 要 以电熔镁砂、电熔白刚玉和烧结尖晶石等为­原料，研究了尖晶石的加入量(0，5%，10%，15%，­20%，30%)和加入形式(≤0.044 mm的细粉或<2­mm的颗粒)对不烧MgO–MA–C及Al2O3–MA–C­质耐火材料抗氧化性的影响。结果表明：MgO­(Al2O3)–MA–C质耐火材料的抗氧化性开始随着­尖晶石细粉的加入逐渐变强，尖晶石细粉的加入量为­5%～10%时抗氧化性最好，当尖晶石细粉的加入量­再继续增加时，抗氧化性变差;固定尖晶石加入量为­10%，尖晶石以细粉形式加入时，试样的抗氧化性最­好，逐渐加大尖晶石的粒度，试样的抗氧化性变差;­MgO–MA–C质耐火材料的抗氧化性比Al2O3–MA­–C质耐火材料的抗氧化性好。­

关键词 尖晶石，不烧MgO(Al2O3) –MA–C耐火材­料，抗氧化性­

随着炉外精炼的发展，特别是钙处理钢和高氧钢­的浇铸，使目前使用的铝炭和铝锆炭质滑板经受着严­重的损毁。例如，在浇铸高氧钢时，Al2O3–C质滑板的­损毁比浇铸普通钢时大得多，滑动面拉毛显著。其原­因之一在于滑动面上的碳受钢水中[O]的氧化加重了­滑动面组织结构的破坏，材料的强度和抗侵蚀性降低;­另一个原因是钢液中生成的FeO、MnO会通过碳氧化­后形成的孔隙渗入到基质中，进一步促使结合碳被氧­化并与滑板材质中的SiO2、Al2O3作用生成低熔点化合­物而加剧组织结构的破坏[1]。因此，在浇铸高氧钢和­钙处理钢时，必须提高滑板的抗氧化性。MgO和尖晶­石的抗氧化铁、氧化锰和氧化钙的侵蚀性好，故选MgO­–MA–C及Al2O3–MA–C质材料为研究对象，研究­了尖晶石的加入量和粒度对不烧MgO–MA–C质及­Al2O3–MA–C质耐火材料抗氧化陛的影响。

­1 试验

­1.1主要原料

­采用的主要原料有电熔镁砂、电熔白刚玉和烧结尖晶石。主要原料的化学组成和体积密度如表1所­示。其中大结晶电熔镁砂的晶粒尺寸>300μm，电­熔白刚玉的显气孔率≤3%。

 

1.2试样制备­试

样分三个系列，第Ⅰ系列和第Ⅱ系列均为MgO­—MA—C质。其中第Ⅰ系列是在保持基质总量不变­的情况下，逐渐增加基质中富镁尖晶石细粉的含量­(0～30%)，组成见表2;第Ⅱ系列是在确定富镁尖晶­石的加入量为10%后，逐渐增大尖晶石的粒度，组成­见表3;第Ⅲ系列是Al2O3—MA—C质耐火材料在保­持基质总量不变的情况下，逐渐增加富铝尖晶石细粉­的含量(0～20%)而形成A0～A3试样，并在确定富­铝尖晶石的加入量为10%后，逐渐增大尖晶石的粒­度而形成A2和A4～A6试样，组成见表4。­

 

先将细粉、石墨和添加剂充分预混。混练在湿碾­机中进行。混练时的加料顺序为：粗、中颗粒→结合­剂→预混后细粉。采用油压机成型，在150MPa的压­力下，压制成Φ50mm×50mm的圆柱体。将成型后­的坯体放人烘箱内，180℃热处理24h。­

1.3抗氧化性试验方法­

将Φ50mm×50mm的圆柱试样放于电炉内升温­至1400℃保温3h，在炉内自然冷却至室温后取出，­然后在圆柱试样的中部将试样横切，测量试样横切面­上的脱碳层厚度。

2结果与讨论

­2.1试验结果­

图1是Ⅰ系列MgO—MA—C试样的脱碳层厚度­随尖晶石加入量(0～30%)的变化。从图中可以看­到：Ⅰ系列试样的脱碳层厚度随尖晶石加入量的变化­而变化。尖晶石加入量为5%的Ml试样脱碳层厚度­较不加尖晶石的试样M0减少了约2mm，尖晶石加入­量为10%的M2试样的脱碳层厚度与M1的相比，变­化不大，当尖晶石加入量为15%(M3)时，脱碳层厚度­大幅度上升，继续增加尖晶石的加入量，脱碳层厚度­继续增加。

图2是Ⅱ系列MgO—MA—C试样脱碳层厚度随­尖晶石粒度大小而变化的情况。从图中可以看到，在­确定尖晶石的加入量为10%时，随着尖晶石粒度的­逐渐加大，脱碳层厚度逐渐增大，抗氧化性越来越差。

­图3是Ⅲ系列Al2O3—MA—C试样脱碳层厚度随­尖晶石加入量(A0～A3)及粒度(A2，A4～A6)的变化。­从图3可以看到，尖晶石加入量为5%的试样A1的脱­碳层厚度比不加尖晶石的试样A0的小3mm，加入­10%的试样A2与Al的相差不大，加入20%尖晶石的­A3试样的脱碳层厚度大幅度上升。当逐渐增大尖晶­石的粒度时，试样脱碳层的厚度逐渐增加。

图4是Ⅰ系列MgO—MA—C试样和Ⅲ系列Al2O3­—MA—C试样在加入相同量的尖晶石后，脱碳层厚度­的比较。从图中可以看出，在添加相同量的尖晶石时，Ⅰ系列试样的脱碳层厚度均比Ⅲ系列试样的脱碳层厚度­小，说明在加入相同量的尖晶石时，MgO—MA—C质试­样的抗氧化性比Al2O3—MA—C质试样的强。­

 

2.2分析和讨论

­在MgO—MA—C质和Al2O3—MA—C质耐火材­料中，Al粉发生了以下的反应：

4Al(1)+6CO(g)=Al4C3(s)+3CO2(g) (1)­

Al4C3(s)+6CO(g)=2Al2O3(s)+9C(s) (2)­

Al粉发生上述两个反应时，伴随着2.4倍的体积膨­胀[2]。在MgO—MA—C质耐火材料中，上述反应生­成的Al2O3又可与MgO反应生成尖晶石，反应如下：­

Al2O3(s)+MgO(s) →MgO·Al2O3(s) (3)­

此反应本身伴随着6.9%的体积膨胀[3]。正是由于­上述反应带来的体积膨胀，促使试样的结构更加致­密，减小了气体的扩散系数，降低了氧化速度，从而抑­制了氧化。­

MgO—MA—C质耐火材料的抗氧化性随尖晶石­的加人量及颗粒尺寸的变化发生了明显的变化。推­测其原因可能是在材料内部发生上述反应(1)～­(3)，最终生成MA。如果在此体系中加入适量的尖­晶石细粉，尖晶石细粉在基质相中起到“晶种”作用，­可促使新生尖晶石的生成，使试样产生体积膨胀，阻­止气体扩散，提高试样的抗氧化性。因而加入5%尖­晶石的M1试样和加入10%尖晶石的M2试样的抗氧­化性比不加尖晶石的MO试样相对要高。但如果继­续增加基质中的尖晶石细粉含量，基质中镁砂细粉的­含量将减少，最终导致与Al2O3生成的MA的量将降­低，堵塞气孔的作用降低，因而脱碳层厚度增加，抗氧­化性变差。因此，MgO—MA—C系试样表现出加入­5%～10%的尖晶石细粉的试样脱碳层厚度最小，抗­氧化性最好。当确定尖晶石含量为10%，改变尖晶­石的加入形式时，以颗粒形式加入的尖晶石不能起到“晶种”的作用，导致新生尖晶石的量少，因此，就表现­为以尖晶石细粉加入的M2试样抗氧化性最强，不断­增大尖晶石的粒径形成M6、M7、M8配方后，试样的­脱碳层厚度依次增加，抗氧化性依次减弱。

在本试验中，还可观察到MgO—MA—C系试样­的抗氧化性比Al2O3—MA—C系试样的强。其原因­可能是在MgO—MA—C质耐火材料中，Al粉在转变­成Al2O3继而又与MgO反应生成尖晶石的过程中，发­生了两次体积膨胀，使试样更加致密;而在Al2O3—­MA—C质耐火材料中，Al粉在转变成Al2O3的过程­中仅发生了一次体积膨胀，因此，较MgO—MA—C系­耐火材料来说，其致密化程度较小，阻碍气体扩散的­能力较小，抗氧化性较差，在试验中就表现为Ⅲ系列­试样的脱碳层厚度比I系列试样的脱碳层厚度大。

3 结论

­(1)MgO(Al2O3) —MA—C质耐火材料的抗氧化­性开始随着尖晶石的加入逐渐变强，尖晶石的加入量­为5%～10%时抗氧化性最好，当尖晶石的加人量再­继续增加时，抗氧化性变差。尖晶石以细粉形式加入­时，试样的抗氧化性最好，逐渐加大尖晶石的粒度，试­样的抗氧化性变差。

­(2)MgO—MA—C质耐火材料的抗氧化性比­Al2O3—MA—C质耐火材料的抗氧化性强。­

 

【中国镁质材料网 采编：ZY】