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            二氧化硅微粉對中頻爐堿性爐襯性能的影響

            作者:本站      時間:2019-08-01

            爐襯作為感應爐的重要組成部分,不但直接影響熔煉質量,而且還影響生產成本。堿性爐襯具有抗堿性熔渣侵蝕的優異性能,不污染鋼液,原料來源豐富,生產工藝簡單,使用方便等優點。目前,以硼酸為燒結劑的堿性爐襯應用廣泛,但由于硼酸的強烈助熔作用,導致爐襯的使用壽命短、熔煉成本高。本試驗以二氧化硅微粉為燒結劑,利用其顆粒小、活性大、填     粉。該二氧化硅微粉是冶煉金屬硅或硅鐵時,產生的揮發性SiO或Si氣體遇空氣迅速氧化而成的非結晶相無定形圓球狀顆粒,表面較為光滑,粒度小于1 μm的占87%以上,平均粒徑在0.2~0.3 μm,比表面積為19.2 m2/g,活性高?;瘜W成分分析見表1。表1 原料化學分析結果

            顆粒料與細粉料的質量比為6535。加入2%~3%的水,以激發二氧化硅微粉的活性及防止施工時起灰。其中顆粒料為:5~3 mm,3~1 mm,1~0 mm三級顆粒級配;細粉料≤0.088 mm。燒結劑二氧化硅微粉的加入量


            二氧化硅微粉對中頻爐堿性爐襯性能的影響(圖1)

             

            脫模后的試樣必須在110 ×24 h條件下進行烘干, 以降低水分排出不當引起的試樣開裂。 二氧化硅微粉屬非結晶相,在1 100 ℃會發生晶型 轉化,形成α-方石英,并伴隨著體積膨脹,不利于材 料的致密化燒結;轉化形成的α-方石英沒有活性,起 不到活化燒結的作用。同時由于爐襯材料的長期使用 溫度較高 1 500~1 600 ℃),為了保證爐襯能形成合 理的三層結構,不發生過燒現象,本試驗將燒成條件 定為1 450 ×3 h。而1 100 ×3 h下的燒結試驗可以評 價二氧化硅微粉的中溫熱處理的不利影響。 測定試樣熱處理后的抗壓強度和體積密度,以評 定試樣的結合性能和燒結性能。測定試樣熱處理前后 的線變化率,以評定試樣的高溫體積穩定性。

             二氧化硅微粉對中頻爐堿性爐襯性能的影響(圖2)

            110 ×24 h條件下烘干時,當二氧化硅微粉加 入量小于5%時,由于二氧化硅微粉的顆粒小,分散性 好,可以填充顆粒與顆粒間的空隙[1],這使材料顆粒堆 積的致密度逐漸提高,氣孔率減少,體積密度逐漸增 (圖1);隨著二氧化硅微粉加入量的增加,材料中的氣孔率逐漸減少,材料致密度逐漸增加,體積密度 就逐漸增大;當二氧化硅微粉加入量大于5%時,隨著 二氧化硅微粉加入量的逐漸增多,二氧化硅微粉充填 空隙后出現過剩導致材料堆積致密度下降;同時大量 的二氧化硅微粉水化產物烘干后失去自由水和部分結 合水導致材料氣孔率逐漸增大 (圖2),從而使試樣的 體積密度逐漸減小。 1 100 ×3 h條件下燒結,試樣體積密度普遍小 110 ×24 h樣品的體積密度 (圖1),而氣孔率普遍 高于1 10 ×24 h樣品的 (圖2)。因為在1 100 ℃時, 由于燒成溫度低,試樣達不到燒結溫度,材料內部形 成的液相量少,不足以填充空隙以提高材料的致密度; 在此溫度下,試樣的主要變化是二氧化硅微粉水化產 物的完全脫水,二氧化硅微粉加入量越多,二氧化硅 微粉水化產物脫水引起氣孔率增加而導致體積密度減 小的影響就越強,故隨著二氧化硅微粉加入量的增大, 試樣的體積密度呈減小的趨勢;同時作為結合劑的二 氧化硅超微粉在升溫過程中發生晶型轉化,引起試樣 體積膨脹[2],體積密度變小。 1 450 ×3 h條件下燒結,試樣體積密度普遍增 (圖1)。隨二氧化硅微粉加入量的增加,試樣體積 密度逐漸增大,氣孔率逐漸降低 (圖2)。在1 450 下,鎂質澆注料中的MgOSiO2生成鎂橄欖石[3],即: 2MgO+SiO2→2MgO·SiO2,這使材料燒結,體積收縮, 結構致密程度提高,體積密度增大。隨二氧化硅含量 的增加,2MgO·SiO2生成量逐漸增加,體積密度逐漸 增大,氣孔率逐漸降低。


            二氧化硅微粉對中頻爐堿性爐襯性能的影響(圖3)

             

            加入二氧化硅微粉,在常溫發生化學反應: ,二氧化硅微粉遇水水化,其表 面形成了羥基,即Si—OH鍵。在自然養護和干燥過程 中,Si—OH鍵脫水形成硅氧烷網絡結構,即發生了大 量的Si—OH鍵脫水,聚合成長鏈的Si—O—Si鍵,澆注 料獲得強度。 由圖3可知,110 ×24 h烘干條件下,硅醇基脫水聚合形成牢固的—Si—O—Si—結合的三維空間網絡 結構,加強材料的結合,有助于強度的提高。而這種 三維空間網絡結構一直可持續到700 [4],即在小于 700 ℃時,隨著硅微粉含量的增加,形成牢固的—Si— O—Si—結合的三維空間網絡結構增多,材料強度逐 漸升高。 1 100 ×3 h條件下燒結時,二氧化硅微粉水化 產物完全脫水,留下大量氣孔,而材料此時尚未達到 燒結溫度,試樣強度主要由材料的緊密堆積程度決定。 當二氧化硅微粉加入量小于5%時,二氧化硅微粉水化 產物完全脫水留下的氣孔總量少,對材料性能影響也 ??;但隨著二氧化硅微粉加入量增加,材料緊密堆積 程度卻逐漸提高,抗壓強度逐漸增大。當二氧化硅微 粉加入量大于5%時,隨著二氧化硅微粉加入量的增 大,由于二氧化硅微粉細粉過剩,材料緊密堆積程度 反而逐漸降低;同時二氧化硅微粉水化產物完全脫水 留下的氣孔率逐漸增大 (圖2),造成試樣的致密度下 降,結構疏松,強度逐漸下降。 1 450 ×3 h條件下燒結時,試樣抗壓強度變化 規律基本同上,但是總體上都比110 ℃和1 100 ℃時的 抗壓強度大,表明試樣已經燒結。在1 450 ℃下,二氧 化硅微粉的膠凝作用消失,而此時燒結作用占主導, 生成鎂橄欖石,材料結構致密化程度提高;同時細粉 中柱狀鎂橄欖石的生成,強化了細粉與顆粒料之間的 結合,抗壓強度普遍提高。當二氧化硅微粉加入量大 5%時,抗壓強度逐漸降低趨勢,這可能與二氧化硅 微粉加入量的增大,由于Fe2O3雜質含量增多,生成的 液相增多,導致材料中顆粒之間的支撐作用減弱有關。

             

            由圖4可知,在1 100 ×3 h的燒結條件下,線變 化率變化幅度不大。這是因為在升溫到1 100 ℃的過程 中,燒結作用不占主導,形成的液相量較少,尚未形 成陶瓷結構,不會引起較大的體積收縮;同時二氧化 硅微粉脫水形成氣孔的過程也不會有太大的體積變化。 1 450×3 h的燒結條件下,二氧化硅微加入量在3%~ 7%時,線變化率變化較小,體積穩定性好。當二氧化 硅微加入量大于7%,隨著二氧化硅微粉加入量的增 大,線變化率變化較大,試樣明顯表現出收縮現象。

             

            因為在1 450 ℃下,隨著二氧化硅微粉加入量的增大, 由于Fe2O3雜質含量增多,生成的液相增多,試樣中生 成大量低共熔液相,液相填充引起體積收縮的效應就 大,因此試樣線變化率大。 根據以上的試驗情況,我們研制的中頻爐堿性爐 襯于20096月在某廠250 kg的熔煉不銹鋼中頻爐試驗 3次,平均壽命65次,較原使用壽命提高15次。

             

            因為在1 450 ℃下,隨著二氧化硅微粉加入量的增大, 由于Fe2O3雜質含量增多,生成的液相增多,試樣中生 成大量低共熔液相,液相填充引起體積收縮的效應就 大,因此試樣線變化率大。 根據以上的試驗情況,我們研制的中頻爐堿性爐 襯于20096月在某廠250 kg的熔煉不銹鋼中頻爐試驗 3次,平均壽命65次,較原使用壽命提高15次。在1 450 ×3 h條件下,由于材料中二氧化硅 微粉的燒結作用,加入5%~7%二氧化硅微粉可提高材 料的抗壓強度和高溫體積穩定性,防止爐襯產生裂紋。綜合考慮材料在高溫、中溫及低溫下的性能, 本試驗二氧化硅微粉的合適加入量為5%。


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