Ｓｉ３ Ｎ４ 加入量對(duì)鐵溝澆注料性能的影響

王佳寧１      趙現(xiàn)華１      顏  浩２     任  林２      張義先１

（１．海城利爾麥格西塔材料有限公司， 海城  １ １４２０６；

２．北京利爾高溫材料股份有限公司，北京  １０２２１ １）

摘  要： 為了進(jìn)一步提高 Ａｌ２ Ｏ３－ＳｉＣ－Ｃ 鐵溝澆注料的性能，以特級(jí)礬土、棕剛玉、ＳｉＣ 、Ａｌ２ Ｏ３ 微粉、白剛玉、硅微粉、

９７ 硅粉、Ｓｉ３ Ｎ４ 粉為主要原料，以高鋁水泥為結(jié)合劑，制備了鐵溝澆注料，研究了 Ｓｉ３ Ｎ４ 加入量對(duì)鐵溝澆注料性能的影 響。結(jié)果表明：添加 Ｓｉ３ Ｎ４ 可使?jié)沧⒘显诟邷叵戮哂懈鼉?yōu)異的機(jī)械性能、抗熱震性和良好的抗氧化性；另一方面由于 材料在燒結(jié)過(guò)程中生成了 β－賽隆相，并與剛玉緊密結(jié)合，使試樣結(jié)構(gòu)致密，提高了材料的抗渣性能。

關(guān)鍵詞： Ｓｉ３ Ｎ４ 加入量； Ａｌ２ Ｏ３－ＳｉＣ－Ｃ 澆注料；強(qiáng)度；抗渣性能

１   前言

鐵溝澆注料是 ２０ 世紀(jì) ７０ 年代后期發(fā)展起來(lái)的  一種新型不定形耐火材料，具有通鐵量高、壽命長(zhǎng)、 耐火材料消耗低、施工方便等特點(diǎn)［１］。Ａｌ２ Ｏ３－ＳｉＣ－Ｃ  質(zhì)澆注料因具備優(yōu)異的耐剝落和耐侵蝕性，故被廣泛  使用在出鐵溝系統(tǒng)。為了進(jìn)一步優(yōu)化 Ａｌ２ Ｏ３－ＳｉＣ－Ｃ  質(zhì)澆注料的各項(xiàng)性能，考慮到 Ｓｉ３ Ｎ４ 具有抗熱震性好、 高溫蠕變小、與渣鐵難潤(rùn)濕等特性，加入 Ｓｉ３ Ｎ４ 的澆注  料具有更優(yōu)異的抗渣性能［２－３］。顧華志等［４］將 Ｓｉ３ Ｎ４    引入到鐵溝澆注料中，研制出了賽隆增強(qiáng) Ａｌ２ Ｏ３－

ＳｉＣ－Ｃ 鐵溝澆注料，取得很好的效果。李朝云等［５］ 在鐵溝澆注料中引入不同量的 Ｓｉ３ Ｎ４ 來(lái)取代瀝青和 ＳｉＣ，報(bào)道了 Ｓｉ３ Ｎ４ 加入量對(duì)鐵溝澆注料力學(xué)性能的 影響。但在上述材料中普遍需要氮化燒成，工藝復(fù) 雜，生產(chǎn)難度大。若利用氧化氣氛燒成，可大大簡(jiǎn)化 生產(chǎn)工藝。本試驗(yàn)主要研究了 Ｓｉ３ Ｎ４ 加入量對(duì)鐵溝 澆注料性能的影響。

２   試驗(yàn)

２．１   原料

本試驗(yàn)原料以特級(jí)礬土、棕剛玉為骨料，以 ＳｉＣ 、 α－Ａｌ２ Ｏ３ 微粉（ ０．０４５ ｍｍ）、白剛玉（ ０．０４５ ｍｍ）、硅  微粉（０．０７４ ｍｍ）、９７ 金屬硅粉（ ０．０７４ ｍｍ）、Ｓｉ３ Ｎ４    （０．０７４ ｍｍ）為基質(zhì)，以純鋁酸鈣水泥為結(jié)合劑，外  加少量的分散劑以及有機(jī)防爆纖維。主要原料的化  學(xué)成分列于表 １ 。

表 １   主要原料的化學(xué)成分            ％

２．２   試驗(yàn)過(guò)程

按表 ２ 所列配方進(jìn)行配料，將原料經(jīng)攪拌機(jī)攪 拌，在攪拌過(guò)程中逐漸加入適量的水。攪拌均勻后， 振動(dòng)澆注成 １６０ ｍｍ ×４０ ｍｍ × ４０ ｍｍ 的條形試樣和  Φ１００ ｍｍ × １００ ｍｍ 、中孔 Φ５０ ｍｍ × ６０ ｍｍ 的坩堝試 樣，經(jīng) ２４ ｈ 自然養(yǎng)護(hù)脫模，放入烘箱內(nèi)經(jīng) １１０ ℃ 烘干  ２４ ｈ；再經(jīng) １ ４５０ ℃保溫 ３ ｈ 熱處理。

表 ２   試樣的配料組成              ％

將試樣放入電爐中于 １ ５００ ℃ 燒成并保溫５ ｈ， 待爐冷卻后將其取出，沿坩堝中心將其切開(kāi)觀察渣  對(duì)坩堝試樣的侵蝕和滲透情況，并對(duì)其進(jìn)行掃描電 鏡分析和 Ｘ 射線衍射分析，以確定試樣內(nèi)部顯微結(jié) 構(gòu)及相組成。高爐渣成分分析列于表 ３ 。

表 ３   高爐渣成分分析              ％

２．３   性能檢測(cè)

按 ＹＢ／Ｔ ５２００－１９９３ 標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)干燥和燒成后試 樣的體積密度和顯氣孔率；按 ＹＢ／Ｔ ５２０１－１９９３ 標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)干 燥 和 燒成 后試樣 的 耐 壓強(qiáng) 度；按 ＧＢ／Ｔ ３００２－１９８２ 標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)經(jīng) １ １０ ℃ 保溫 ２４ ｈ 干燥后試 樣的高溫抗折強(qiáng)度。

３   結(jié)果與討論

３．１   Ｓｉ３ Ｎ４  加入量對(duì)試樣體積密度和顯氣孔率的影響

 Ｓｉ３ Ｎ４  加入量對(duì)試樣體積密度、顯氣孔率的影響可以看出，澆注料在經(jīng)過(guò) １ １０ ℃ 、保溫２４ ｈ 和 １ ４５０ ℃ 、保溫 ３ ｈ 處理后，體積 密度呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)；從圖 １（ｂ）可以看出， 經(jīng)中、低溫處理后，試樣顯氣孔率均呈現(xiàn)出逐漸增大  的趨勢(shì)。

３．２   Ｓｉ３ Ｎ４  加入量對(duì)試樣強(qiáng)度的影響

Ｓｉ３ Ｎ４ 加入量對(duì)試樣常溫抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度 的影響示于圖 ２ ?？梢钥闯?，隨著 Ｓｉ３ Ｎ４ 加入量的增 加，經(jīng) １ １０ ℃ 、保溫 ２４ ｈ 和 １ ４５０ ℃ 、保溫 ３ ｈ 處理 后，澆注料的抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先減小后 增大的趨勢(shì)。

３．３   Ｓｉ３ Ｎ４  加入量對(duì)試樣抗渣性能的影響

圖 ３ 所示為試樣 Ｎ０、Ｎ６ 渣侵蝕后顯微結(jié)構(gòu)圖。 選取了不添加 Ｓｉ３ Ｎ４  的坩堝試樣 Ｎ０ 和 Ｓｉ３ Ｎ４ 加入量  為 ６％ 的試樣 Ｎ６ 進(jìn)行抗渣試驗(yàn)分析。切取坩堝受  侵蝕部分做成試樣，研磨拋光后在掃描電鏡（ＳＥＭ）

下觀察了試樣的顯微結(jié)構(gòu)。從圖 ３ 可以看出，試樣 Ｎ０ 渣層的主要成分為 一些低熔物，基質(zhì)中氣孔較多，結(jié)構(gòu)疏松，說(shuō)明試樣 氧化較嚴(yán)重。而試樣 Ｎ６ 的侵蝕部分基本上可以分 為渣層、過(guò)渡層和原磚層，渣層和過(guò)渡層之間界限較 清晰，無(wú)明顯的反應(yīng)層。說(shuō)明添加 Ｓｉ３ Ｎ４  的試樣抗 侵蝕能力較強(qiáng)。

選取試樣 Ｎ０、Ｎ６ 部分基質(zhì)做 Ｘ 射線衍射分析， 結(jié)果如圖 ４ 所示。結(jié)果表明：不添加 Ｓｉ３ Ｎ４  的試樣  物相主要有剛玉、α－Ａｌ２ Ｏ３ 、少量 Ｃａ３（ＡｌＯ３）２ 、ＳｉＯ２ 、有剛玉、α－Ａｌ２ Ｏ３ 、少量 ＳｉＯ２ 、Ｃａ２ Ａｌ２ Ｏ５ 、Ｃａ３ Ｓｉ２ Ｏ７ 外， 還有 Ｓｉ５ ＡｌＯＮ７ 相生成。在試樣 Ｎ６ 原磚層開(kāi)始發(fā)現(xiàn) 短柱狀、未發(fā)育完全的晶粒（ 圖 ５）。對(duì)該晶粒分析  得到 Ｓｉ 、Ａｌ 、Ｏ 、Ｎ 的原子百分比（ 表 ４），這些短柱狀 晶粒為 β－賽隆。

表 ４   選取晶粒的原子百分比      ％

４   結(jié)論

（１） 隨著 Ｓｉ３ Ｎ４  加入量的增加，試樣的氣孔率 逐漸增加，體積密度逐漸降低，抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度 呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

（２） 添加 Ｓｉ３ Ｎ４  的試樣，其抗渣性能優(yōu)于不添 加 Ｓｉ３ Ｎ４  的試樣。

（３） 添加 Ｓｉ３ Ｎ４  的試樣，基質(zhì)中生成了 β－賽隆 相，并與剛玉緊密結(jié)合，使試樣結(jié)構(gòu)致密，改善了試 樣的抗渣性能，并具有良好的使用效果。

參考文獻(xiàn)

［１］ 中國(guó)冶金百科全書總委員會(huì)《 耐火材料》 卷委員會(huì)．中國(guó)冶金

百科全書：耐火材料［ Ｍ］．北京：冶金工業(yè)出版社，１９９７．

［２］ 涂軍波，魏軍從，李朝云． Ｓｉ３ Ｎ４ 加入量對(duì) Ａｌ２ Ｏ３－ＳｉＣ－Ｃ 鐵溝澆

注料抗渣性能的影響［Ｊ］．硅酸鹽通報(bào)，２０１０，２９（３）：７１４－７１７．

［３］ 蔡德龍．Ｓｉ３ Ｎ４－ＳｉＣ 復(fù)相材料合成及其在出鐵溝澆注料中的應(yīng)

用研究［ Ｄ］．北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，２０１ １．

［４］ 顧華志，呂春燕，汪厚植，等． 原位生成 Ｓｉａｌｏｎ 增強(qiáng) Ａｌ２ Ｏ３－ＳｉＣ－Ｃ

鐵溝澆注料的力學(xué)性能［ Ｊ］．耐火材料，２００４，３８（３）：１６０－１６４．

［５］ 李朝云． 環(huán)保型高爐出鐵溝自流澆注料的研究［ Ｄ］．唐山：河北

理工大學(xué)，２００９．