基質(zhì)組成對耐火澆注料的使用性能有決定性的影響。一般耐火澆注料的損壞同耐火制品相似，大多是從基質(zhì)相的損壞開始。因此，要制取耐用性好的澆注料，必須嚴(yán)格控制基質(zhì)相的化學(xué)成分與礦物組成。對于高純鋁鎂質(zhì)澆注料，如何合理控制鎂砂加入量，今天我們就一起探討研究一下。
1 試驗
試驗所用原料的化學(xué)組成見表1。
表1 原料的化學(xué)組成
采用相同的骨料，改變細(xì)粉組成進(jìn)行試驗。鎂砂細(xì)粉含量(試樣編號)分別為3a(M3)、4a(M4)、5a(M5)、6a(M6)、7a(M7)，白剛玉細(xì)粉作相應(yīng)的調(diào)整。骨料與基質(zhì)的比例為7:3。攪拌好后，制成40mm×40mm×160mm的試樣，室溫下養(yǎng)護(hù)24h后脫模，測定110℃，24h、1100℃，3h、1400℃，3h和1600℃，3h熱處理后試樣體積密度、顯氣孔率、線變化率、常溫耐壓強度及常溫抗折強度。
采用靜態(tài)坩堝法測定侵蝕后坩堝的侵蝕面積及滲透面積。試驗采用某鋼廠轉(zhuǎn)爐終渣(C/S=4.0)，其主要成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)分別為：CaO 50.33，SiO2 12.63，MgO 5.53 TFe 18.01。
用掃描電鏡觀察渣蝕后樣塊的顯微結(jié)構(gòu)，通過能譜分析確定材料的相組分，并對渣蝕機理進(jìn)行討論。
2 結(jié)果與討論
2.1 鎂砂細(xì)粉含量對鋁鎂質(zhì)澆注料流動性的影響
不同鎂砂含量時，澆注料的流動值見表2。
表2 鎂砂含量與澆注料流動值的關(guān)系
2.2 鎂砂細(xì)粉含量對澆注料常溫物理性能的影響
經(jīng)110℃，24h烘干和1100℃，3h、1400℃，3h、1600℃，3h燒成后，試樣的常溫物理性能見表3。
隨鎂砂細(xì)粉含量增加，烘后強度逐漸上升，體積密度先上升后下降。體積密度上升可歸因于顆粒進(jìn)一步緊密堆積，但鎂砂細(xì)粉進(jìn)一步增加后，由于Mg、O、Si之間的結(jié)合強度，以及細(xì)粉的密度差異導(dǎo)致體積密度下降。鎂砂細(xì)粉超過一定量后，由于MgO的水化，使得流動值下降，澆注時排氣差，因而試樣顯氣孔率就高。
在1100℃，3h和1400℃，3h燒成后，線變化率隨鎂砂細(xì)粉含量的增加而增加，且出現(xiàn)膨脹;在1600℃，3h燒成后，鎂砂細(xì)粉含量<5a，試樣呈現(xiàn)收縮；鎂砂細(xì)粉含量>5a，試樣呈現(xiàn)膨脹，且當(dāng)鎂砂細(xì)粉含量為7a時，膨脹量較大。鎂砂細(xì)粉含量一定時，試樣燒成后的線變化率隨溫度增加先上升，在1400℃左右達(dá)成最高值后下降。
表3 不同溫度處理后試樣的物理性能
隨鎂砂細(xì)粉含量的增加，試樣在1100℃，3h、1400℃，3h、1600℃，3h燒成后強度逐漸下降;鎂砂細(xì)粉含量相同的試樣，抗折強度隨燒成溫度的升高均呈上升趨勢。
隨鎂砂細(xì)粉含量增加，試樣1600℃燒成后的顯氣孔率逐漸上升、體積密度逐漸下降，這主要與試樣燒成后生成尖晶石產(chǎn)生體積膨脹有關(guān)。
加入不同鎂砂細(xì)粉含量增加，試樣1600℃燒成后的顯氣孔率逐漸上升、體積密度逐漸下降，這主要與試樣燒成后生成尖晶石產(chǎn)生體積膨脹有關(guān)。
加入不同鎂砂細(xì)粉的各個試樣在1100℃燒成后均發(fā)生膨脹，說明在此溫度下已經(jīng)有尖晶石的生成，且鎂砂細(xì)粉含量增多，尖晶石生成量越多，試樣在各個溫度下的線膨脹率也越大，強度也越低。根據(jù)MgO-Al2O3-SiO2相圖，各試樣基質(zhì)出現(xiàn)液相的最低溫度大約分別為：M4 1400℃，M3 1600℃，M5、M6、M7 1700℃，所以各試樣在1100℃~1400℃的燒結(jié)不顯著，因而生成尖晶石而產(chǎn)生膨脹，強度較低;到1600℃時，試樣M3、M4中已經(jīng)出現(xiàn)液相，燒結(jié)加劇;因此，鎂砂細(xì)粉含量少的試樣在1600℃，3h燒成后已經(jīng)表現(xiàn)為收縮，而鎂砂細(xì)粉含量多的試樣由于尖晶石生成引起的膨脹大于燒結(jié)引起的收縮而表現(xiàn)為膨脹;對于M7試樣，由于液相出現(xiàn)的溫度高，燒結(jié)仍不顯著，故膨脹量更大一些。
表4為試樣的基質(zhì)中鎂砂細(xì)粉與剛玉細(xì)粉完全反應(yīng)生成理論尖晶石基質(zhì)的成分�？梢�，鎂砂細(xì)粉含量為3a、4a時，因基質(zhì)中鎂砂細(xì)粉與剛玉細(xì)粉在1400℃左右已經(jīng)反應(yīng)完全，故在更高溫度下僅為燒結(jié)收縮起作用，在1600℃燒后呈現(xiàn)收縮;而M5、M6、M7在以后的溫度下剩余的鎂砂細(xì)粉仍然與骨料中的剛玉發(fā)生反應(yīng)，繼續(xù)產(chǎn)生膨脹，抵消了部分燒結(jié)收縮而呈現(xiàn)處或多或少的膨脹，隨鎂砂細(xì)粉含量增加，膨脹顯著增加。
表4 基質(zhì)經(jīng)1600℃燒后達(dá)到相平衡的理論相組成
強度隨鎂砂細(xì)粉含量及溫度的變化規(guī)律同燒后線變化率以及顯氣孔率的變化規(guī)律基本是吻合的，即線變化率越大，結(jié)構(gòu)越疏松，強度也越低。
2.3 鎂砂細(xì)粉含量對抗渣性的影響
圖1 示出了鎂砂細(xì)粉含量對渣蝕面積的影響
圖1 鎂砂細(xì)粉含量對澆注料抗渣性的影響
隨鎂砂細(xì)粉含量增加，渣蝕面積隨之增加。鎂砂細(xì)粉含量為3a~4a時，增加的幅度較小;鎂砂細(xì)粉含量為5a~ 7a時，渣蝕面積增加幅度較大(主要是滲透加劇);鎂砂細(xì)粉含量為6a~7a時，侵蝕面積變化不明顯，但滲透面積增加很快。
選取M5抗渣試驗后的樣塊進(jìn)行微觀分析。圖2為M5抗渣各層帶的SEM照片。對侵蝕層發(fā)育完整的針狀晶體進(jìn)行微區(qū)分析，其化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：Al2O3 74.92，CaO 21.18，F(xiàn)eO 3.90，屬CaO-Al2O3系化合物;在侵蝕層與滲透層交界面有一層厚度約0.5mm的致密層，其各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)為：MgO 1.21、Al2O3 80.60、CaO 8.91、SiO2 1.34、FeO 5.48，其A/C≈10(CA6中A/C=10.9)，應(yīng)該是CA6;在滲透層里，主晶相為尖晶石(約占80%)，還有少量的CA6晶體相互交錯，結(jié)構(gòu)比較致密;在原質(zhì)層里，主晶相為尖晶石，粒徑相對較小，晶粒互相連接，但整體結(jié)構(gòu)較疏松。由圖1可知，隨鎂砂細(xì)粉加入量增加，試樣的抗渣性隨之下降，從鎂砂細(xì)粉加入量為5a開始，渣滲透明顯增加。這主要是由于Fe2O3固溶于鎂砂中，使得熱面與澆注料內(nèi)部存在一定的Fe2O3濃度差，更促進(jìn)了渣的滲透;另外，從1600℃，3h燒后顯氣孔率的結(jié)果可知，抗渣性隨鎂砂細(xì)粉含量增加而降低的又一原因是由于在燒成后顯氣孔率的增加。表5示出了侵蝕層、滲透層及原質(zhì)層的EDAX面分析結(jié)果，可見渣中的CaO、FeO向材料內(nèi)部侵入，CaO與Al2O3反應(yīng)生成針狀和條柱狀的CA6，使?jié)B透層的結(jié)構(gòu)致密，F(xiàn)eO被尖晶石大量吸收而形成(Mg·Fe)O·Al2O3復(fù)合尖晶石，從而抑制了FeO的進(jìn)一步滲透。
表5 M5抗渣樣中各層的化學(xué)組成
結(jié)論
(1)隨鎂砂細(xì)粉含量的增加，試樣110℃，24h烘后強度先上升后下降;當(dāng)鎂砂細(xì)粉含量為5a時，其強度最大。
(2)隨鎂砂細(xì)粉含量的增加，不同溫度燒后試樣的線變化率均逐漸增加，強度下降，結(jié)構(gòu)趨于疏松。鎂砂細(xì)粉含量為5a時，試樣1600℃，3h燒成后出現(xiàn)微膨脹，體積穩(wěn)定性也相對較好。
(3)隨鎂砂細(xì)粉加入量增加，抗渣性逐漸下降。基質(zhì)中鎂砂細(xì)粉加入量越高，其抗渣性約差。但是，鎂砂細(xì)粉含量為3a~4a時，滲透很輕，而鎂砂細(xì)粉含量>5a后，滲透增加明顯。