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        4种炭质材料对铁沟浇注料抗渣侵蚀性能的不同影响
        • 作者:江宣    来源:江苏江能新材料科技有限公司    时间:2022-4-7    点击:290

          炭质材料因耐高温性能和抗熔渣侵蚀性能方面的独特优势,性能优良,炭含量较高的含炭浇注料在钢铁行业中将会有十分广泛的应用前景。但是由于炭质材料和水的润湿性较差,添加炭质材料对浇注料流变性的负作用是很严重的,并妨碍了此种浇注料在钢铁工业中的广泛应用。目前国内高炉主沟已使用Al2O3-SiC-C铁沟浇注料替代传统捣打料,炭质材料具有很高的耐火度,同时由于其与熔渣难润湿,因此也具有良好的抗渣侵蚀性能,使其成为Al2O3-SiC-C铁沟浇注料的主要原料之一。目前铁沟浇注料中广泛使用的炭质材料有球沥青、电极粉及裂解炭黑等,炭质材料的种类和加量一直是研发工作者持续研究的课题。在本工作中,采用去除大颗粒骨料,细粉中不添加SiC等对抗渣效果有明显影响的其他原料,使用静态坩埚法系统研究球沥青、电极粉及裂解炭黑三种炭质材料对铁沟浇注料抗渣性能的影响。

          

          实验

          1.1原料

          主要原料为:白刚玉,w(Al2O3)≥98.5%,w(Fe2O3)≤0.1%;氧化铝微粉,d50=1μm;CA70水泥;减水剂;几种炭质材料技术指标如表1所示;高炉渣化学成分如表2所示。


        1几种炭质材料技术指标

         

        2高炉渣成分

         


          1.2试验过程

          按表3配比称量各原料,使用电子秤称取原料。预混好的材料倒入搅拌机后,加水搅拌,搅拌总时长3分钟。成型坩埚试样,养护24h,放置烘箱中110℃烘干24小时,在试样中放置220g高炉渣,在1500℃下煅烧3h。


        3试验配比

         


          1.3性能检测

          抗渣侵蚀性能采用静态坩埚法。为增强对比效果、结果的准确度以及降低实验条件差异带来的影响,我们参考GB/T8931-2007中规定,对实验用坩埚做了适当改造。采用了比标准中推荐的圆柱孔坩埚尺寸更大一些的方孔坩埚。一方面提高了加渣量。另一方面避免切割偏离中心(圆台孔坩埚)导致的误差。如有必要,方芯坩埚还可做多次平行切割,一次实验获得多组数据。坩埚具体尺寸如图1所示:


         

         

          结果与讨论

          2.1抗渣侵蚀性能

          切割后试样断面进行扫描,几组试样侵蚀后形貌如图2至5所示。


          试样成型过程中注意到,K1球沥青组流动损失大,自流性较K0组大幅降低。K3炭黑组材料黏性略大,流动速度慢,但流动性尚可。


          综合图2至5,从抗渣侵蚀和抗渣渗透性能方面对比,可做如下排序:K3>K1>K0=K2。球沥青和炭黑的加入显著提高了材料的抗渣侵蚀和抗渗透性能。而电极粉则没有显现出抗渣方面的效果。其抗渣侵蚀效果和K0无炭组几乎没有太大差异。仅仅可以从坩埚内剩余渣量略多判断出渗透进坩埚的渣略少。


          2.2显微结构


          对K0无炭组试样渣侵蚀区域进行SEM检测和EDS分析。SEM照片及几个点的EDS图谱如图6所示。

         


          几个点的EDS分析结果如表4所示。


          K0组成主要是刚玉和少量水泥。而高炉渣成分如前所述,除了少量Al2O3,主要是CaO、SiO2等,极易与坩埚中的Al2O3反应生成低熔点的CA2S甚至C2AS等。SEM照片中1312点EDS结果表明,该部位成分组成与C2AS接近,材料与渗透进来的熔渣发生了反应。


        4图6中几个点的EDS分析结果

         


          炭对熔渣的润湿性差,能够有效的阻止熔渣沿材料气孔渗透至内部。从而能够达到抗渗透及抗侵蚀效果。但K2电极石墨组却并没有表现出这样的效果。从断面颜色也能一窥端倪,除了熔渣中可能有炭进去颜色变黑了一些之外。坩埚本体基本没有显现出含炭材料所应有的黑色,而更像无炭组的刚玉质试样本色。对K2组试样进行SEM检测以及EDS分析,SEM检测部位位于试样中部,取样位置与图5中K3组编号③部位大致相同。图7中SEM照片上标注的几个点EDS分析结果见表5。


         

        6K0组试样渣侵蚀区域SEM照片及几个点的EDS图谱

        5图7中几个点的EDS分析结果

         


          EDS检测结果也表明该部位C含量已经非常低,在图谱上几乎看不到C的EDS峰。这说明加入的石墨几乎被全部氧化了。材料被侵蚀使得部分C进入渣里,因为液态渣隔绝了空气,避免了渣中的电极粉被全部氧化而得以保存下来。EDS结果表明:即使在距离熔渣较远的部位,也已经有熔渣渗透过去了。以上结果均表明电极粉抗氧化性差,与熔渣的润湿性良好。不适宜在Al2O3-SiC-C铁沟浇注料中做抗渣侵蚀原料添加。


          K1球沥青组抗渣性较好。仅在渣与空气界面处侵蚀较为严重,液面以下隔绝空气部位侵蚀则较为轻微。但与K3炭黑组相比,氧化层厚度较厚,除了在坩埚底部尚有很小一部分炭残存较多外,其余部位基本被氧化殆尽。另外试样强度也最低,这从切割出的断面粗糙也能反应出来。


          K3炭黑组抗侵蚀性能更优于K球沥青组,值得一提的是,其抗氧化效果也是几组当中最优的。


          从坩埚剖面可以看到,K1沥青组和K3炭黑组试样明显的分成几种不同颜色区域。由于沥青组部分区域强度过低,制SEM检测样时部分损坏,故而以炭黑组为例,按照图5所标识的4个区域内等高位置各选一点。进行SEM检测。SEM结果如图8所示。由图得知,K3组各区域组成主要是刚玉和板片状CA6,说明炭黑有效地阻止了熔渣的渗透。

         

         

        7K2组试样渣侵蚀区域SEM照片及几个点的EDS图谱


          选取电极粉组及球沥青组与炭黑组④区域相同部位制样,分别记为“D4区”和“Q4区”。SEM结果如图9所示:


          对比图8中T4区图及图9中图片也会发现,电极粉组抗渣侵蚀性能最差,在靠近外侧区域已经有太多熔渣渗入。而球沥青组和炭黑组在类似区域未见明显熔渣渗透情况。


         

        8 K3组不同区域显微结构

         

        9电极粉及球沥青组外侧区域显微结构


          有研究表明,炭的分散程度是影响炭质材料抗渣性能的关键,而炭的石墨化程度则决定其高温氧化难易程度。按照在材料中的分散情况来看,应该是这样的顺序,K3K2K1。按照石墨化程度排序则是:K2K1K3。由此来看,K2综合性能优于K1,但事实却非如此,原因可能在于,球沥青尽管是1-0.2mm的小颗粒加入,但其形态却会在加工使用过程中发生改变,一个是在搅拌过程中,足够的剪切力有可能使球沥青颗粒破碎,变得更小而提高其分散度。另一方面,如图10所示,沥青在高温受热后会膨胀、挥发,产生的液相和气相会沿着材料内气孔扩散,这也会改善其在材料中的分布均匀性。同时,会使气孔内壁形成炭涂层,这对抗渣性能也会有所提高。


         

        10沥青在材料气孔中的迁移示意图


          K3组炭黑尽管抗氧化性先天不足。但由于其为纳米级微粉。在材料中分散均匀性要较其他几组好出太多,且由于微粉的填充效果,使材料致密性提高,气孔率降低,这对抗氧化起到积极作用。


          3结论

          (1)球沥青、电极粉和裂解炭黑均能够提高材料抗渣渗透性能;就抗渣性能而言:炭黑>球沥青>电极粉;


          (2)炭黑分散均匀,纳米级微粉填充效果好,起到了良好的抗渣及抗氧化作用;2.0%加量偏多,材料偏黏,加量需降低;


          (3)球沥青高温形成的炭石墨化程度高,抗氧化性能好。高温下液相及气相吸附在气孔内部,使熔渣沿气孔渗透变得困难,提高了抗渣性能。2.0%加量偏多,材料流动度损失大,加量需降低;


          (4)电极粉在材料中分散均匀性一般,抗氧化性、抗渣性能差;


          (5)球沥青和炭黑单一添加量均不宜超过2.0%,可考虑复合添加。


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