铁合金渣对凝胶结合镁铝浇注料烧结性能的影响

作者：罗旭东   张国栋   张玲   刘帅   陈莉莉

　　摘 要 以电熔镁砂和氧化铝微粉为主要原料，二氧化硅凝胶作为结合剂，采用振动成型法制备镁铝浇注料。浇注料试样分别在1100℃和1500℃保温2小时进行烧成。研究分析铁合金渣对凝胶结合镁铝浇注料性能的影响。结果表明：镁铝浇注料中引入氧化铬促进浇注料镁铝铬尖晶石的生成。铝铬渣中氧化铬也起到了提高镁铝浇注料烧结性的作用，随着铝铬渣加入量增加，高温热处理后的镁铝浇注料常温强度增加，烧后线变化率增大。铝钛渣中二氧化钛的引入促进了试样结构中电熔镁砂与氧化铝微粉形成原位尖晶石，改变了试样的烧结性能。铝钛渣中钛酸铝分解形成的二氧化钛及铝钛渣所含杂质对改变镁铝浇注料的烧结性能具有一定的促进作用。

　　关键词 铝铬渣、铝钛渣、镁铝浇注料、镁铝尖晶石

　　镁质浇注料具有耐火度高，荷重软化温度高，对金属和碱性渣具有抗侵蚀性等优点，具有广阔的发展前景。但是氧化镁存在抗渗透性差和热震稳定性差的缺点，而镁铝浇注料在结构中引入预合成镁铝尖晶石相或由于自身的烧结作用形成再生尖晶石相，形成方镁石和镁铝尖晶石共存的复相结构，提高材料的各项性能。铝铬渣和铝钛渣是铁合金厂铝热法生产金属铬和金属钛过程中形成的两种工业废弃材料，其中铝铬渣主要化学成分为氧化铝和氧化铬，铝钛渣主要化学成分是氧化铝和氧化钛。本课题以电熔镁砂为骨料，以电熔镁砂、氧化铝微粉为基质，以二氧化硅凝胶为结合剂制备镁铝浇注料，研究铝铬渣和铝钛渣对镁铝浇注料烧结性能的影响。

　　1 实验

　　电熔镁砂颗粒及细粉：w(MgO)=97.5%，w(SiO2)=1.05%，w(CaO)=0.85%，w(Fe2O3)=97.5%;氧化铝微粉：w(Al2O3)=99.10%，w(SiO2)=0.15%;二氧化硅微粉：w(SiO2)=97.5%;铝铬渣：w(Al2O3)=70.7%，w(Cr2O3)=11.2%;铝钛渣：w(Al2O3)=66.92%，w(TiO2)=12.16%。实验配比为：电熔镁砂骨料加入量为62%，电熔镁砂细粉和氧化铝微粉加入量为35%，二氧化硅微粉加入量为3%，以上配方作为基础配比。在基础配比的基础上，分别外加铝铬渣和铝钛渣2%、4%、6%和8%。将各种原料置于搅拌桶中，加入5-7%的水混炼均匀。将混炼后物料制成40mm×40mm×160mm的试样，室温养护24小时后脱模，检测试样经过110℃保温24h、1100℃保温2h和1500℃保温2h热处理后的体积密度、显气孔率、常温抗折强度、常温耐压强度和经过1100℃及1500℃的烧后线变化。

　　2 结果与讨论

　　2.1 铝铬渣对镁铝浇注料性能的影响

　　图1和图2为铝铬渣对镁铝浇注料体积密度和显气孔率的影响图。从图中镁铝浇注料试样体积密度和显气孔率随着铝铬渣加入量的变化趋势上看，铝铬渣的加入均不同程度的影响了三种不同温度处理后的镁铝浇注料的体积密度。从图2可以看出，随着铝铬渣的加入，三种温度处理后的镁铝浇注料试样的显气孔率均出现逐渐增加的趋势。分析认为：经110℃热处理试样的结构强度仍然来源于二氧化硅凝胶所形成的网络结构;经1100℃热处理后试样结构中的二氧化硅凝胶网络结构受到破坏，导致热处理后试样体积密度降低，显气孔增大;经1500℃热处理后的镁铝浇注料试样显气孔率随铝铬渣加入量的增加而增大，说明铝铬渣中氧化铬的引入促进了镁铝浇注料中镁铝铬尖晶石的形成。

 　　图3和图4为铝铬渣对镁铝浇注料常温抗折强度和常温耐压强度的影响图。图中110℃热处理后镁铝浇注料试样常温强度变化趋势不明显，热处理温度为1100℃时，随着铝铬渣加入量的增加，镁铝浇注料热处理后常温强度呈增加趋势。分析认为，铝铬渣在镁铝浇注料热处理过程中起到了助烧剂的作用，而1100℃的热处理温度较低，加入铝铬渣的镁铝浇注没有达到完全烧结的状态，因此试样常温强度较低。当热处理温度为1500℃时，从图中热处理后镁铝浇注料常温强度的变化趋势中可以看出，随着铝铬渣加入量的增加，镁铝浇注料的烧结性能明显增强，试样的常温抗折强度和常温耐压强度明显增大。铝铬渣中的氧化铬有利于提高镁铝浇注料的烧结性能，并且铝铬渣中的杂质也起到了助烧镁铝浇注料的作用。

　　图5为铝铬渣对镁铝浇注料烧后线变化的影响图。从图中可以看出，随着铝铬渣加入量的增加，热处理后试样收缩情况逐渐减小。当铝铬渣加入量为4%时，经1100℃和1500℃热处理后的镁铝浇注料试样的线变化率很小。当铝铬渣加入量大于4%时，随着铝铬渣加入量的增加，镁铝浇注料的烧后线变化率大于零，出现膨胀现象。分析认为，铝铬渣的主要成分为氧化铝和氧化铬，铝铬渣中的氧化铝与氧化铬均与镁铝浇注料中的氧化镁发生固相反应形成尖晶石，随着铝铬渣加入量的增加，铝铬渣中的氧化铬促进了镁铝浇注料中镁铝铬尖晶石的形成，而形成镁铝铬尖晶石的过程伴随着试样的体积膨胀，因此出现了图5所示的膨胀现象。

　　2.2 铝钛渣对镁铝浇注料性能的影响

　　图6和图7为铝钛渣对镁铝浇注料体积密度和显气孔率的影响图。从图中可以发现两种现象：第一，热处理温度直接影响试样的体积密度和显气孔率，随着热处理温度由110℃增加到1100℃，然后再增加到1500℃，试样的体积密度呈现出先减小后增大的现象，而试样的显气孔率呈现出先增大后减小的现象。分析认为：铝钛渣加入量的增加，提高了试样中二氧化钛的含量。二氧化钛促进了镁铝尖晶石的形成，起到了矿化剂的作用。同时考虑铝钛渣中钛酸铝矿相的分解反应导致了材料结构中形成裂纹，也会使试样的显气孔量增加。

　　图8和图9为铝钛渣对镁铝浇注料常温抗折强度和常温耐压强度的影响图。从图中可以看出，试样经110℃热处理后的试样强度最大，而经过1100℃热处理后的试样强度最小。这也充分证明了上述分析的结果。1100℃的热处理导致材料中网络结构的破坏，导致试样的中温强度降低。而随着热处理温度增加到1500℃时，试样中各物相的烧结性能逐渐增强，试样的常温强度逐渐增大。同样可以发现：随着铝钛渣加入量的增加，试样的常温强度也在逐渐增加，烧结性能也在逐渐提高。分析认为，除铝钛渣中的二氧化钛对结构中形成镁铝尖晶石具有促进作用以外，铝钛渣中的杂质对镁铝浇注料热处理过程中形成液相也有利，高温液相在试样冷却后形成玻璃相，玻璃相的形成提高了材料的常温强度。

　　图10为铝钛渣对镁铝浇注料烧后线变化的影响图，其中未添加铝钛渣的试样经过1100℃和1500℃热处理后线变化率为-0.8%和-1.2%，试样均表现出了收缩情况，这说明经过1100℃和1500℃热处理后，试样结构中已经发生了烧结作用。同样发现：随着铝钛渣加入量的增加，热处理后试样收缩情况逐渐减小。当铝钛渣加入量大于6%时，1100℃处理后试样的线变化率大于零，出现膨胀现象。分析认为，铝钛渣的主要成分为氧化铝和二氧化钛，铝钛渣的主要矿相为刚玉相和钛酸铝相。铝钛渣中的钛酸铝相在750℃-1300℃时发生分解反应，反应生成二氧化钛和氧化铝。分析认为，钛酸铝分解形成的氧化铝具有良好的活性，容易与基质中的电熔镁砂发生反应形成镁铝尖晶石，因此随着铝钛渣加入量的增加，试样的线变化呈现增大趋势。

　　3 结论

　　铝铬渣中的氧化铬起到了提高镁铝浇注料烧结性的作用，随着铝铬渣加入量的增加，高温热处理后的镁铝浇注料常温强度增加，烧后线变化率增大。随着铝钛渣加入量的增加，浇注料的体积密度减小、显气孔率增大、常温抗折强度和常温耐压强度增大、烧后线变化逐渐增大，二氧化钛的矿化作用以及铝钛渣中钛酸铝的分解作用对改变镁铝浇注料的烧结性能具有一定的促进作用。