鋼包透氣磚是鋼水精煉底吹氬工藝中最關(guān)鍵的功能性元件，其使用條件非常苛刻。鋼包透氣磚按組裝方式可分為內(nèi)裝式整體透氣磚和外裝式透氣磚組合兩種，其透氣磚芯均需配套座磚進行保護。目前座磚普遍采用澆注成型，經(jīng)養(yǎng)護、干燥和烘烤后直接使用。座磚在使用過程中主要經(jīng)受以下作用：（1）座磚工作面反復(fù)受急冷急熱作用，容易導(dǎo)致座磚斷裂和剝落;（2）受到鋼水及渣的侵蝕、滲透；（3）受到高溫鋼水強烈的沖刷及磨損。因此，要求座磚應(yīng)具有高的強度、好的抗熱震性和優(yōu)良的康渣侵蝕性能。
座磚在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)裂紋、恒斷裂和掉塊現(xiàn)象，嚴重影響其使用壽命，改善其抗熱震性是提高其使用壽命的重要途徑。目前，透氣磚方面的研究較多，而座磚方面研究不多。在本工作中，研究了水泥加入量對剛玉-尖晶石質(zhì)鋼包透氣磚座磚性能的影響，期望提高透氣磚座磚的使用壽命，增強其安全系數(shù)，滿足煉鋼廠的使用要求。
1 試驗
1.1 原料
以板剛玉顆粒(6~3、3~1、≤1mm)為骨料，板狀剛玉粉(≤0.074mm)、燒結(jié)尖晶石粉(≤0.074mm)、活性α-Al2O3微粉為細粉，純鋁酸鈣水泥為結(jié)合劑，聚丙烯纖維、偶氮甲酰胺、碳酸氫鈉及復(fù)合防爆劑聚丙烯纖維+碳酸氫鈉等為防爆劑。原料的化學(xué)組成見表1。
表1 主要原料化學(xué)組成
1.2 試驗過程
將原料按表2配比稱量，干混均勻后，加入減水劑和適量水，用攪拌機充分攪拌均勻后，振動成型后160mm×40mm×40mm的試樣，自然養(yǎng)護24h后脫模。脫模后自然干燥24h，再在110℃干燥24h，然后在高溫試驗爐內(nèi)于1560℃保溫3h。
表2 試樣的配比
1.3 性能測試
按照YB/T5200-1993檢測試樣的顯氣孔率，按照YB/T5201-1993檢測試樣的常溫抗折強度和耐壓強度，按照YB/T5203-93檢測試樣的線變化率。
將1560℃燒后試樣經(jīng)1100℃水冷3次后，測量其殘余抗折強度并計算其強度保持率，以此來評價試樣的抗熱震性。
試樣經(jīng)振動成型為50mm×50mm×50mm的樣塊，試驗爐膛尺寸不小于350mm×150mm×150mm，試驗爐預(yù)先升到設(shè)定溫度400、600、800℃，并均保溫30min。將脫模后的試樣成型面朝上迅速放入試驗爐內(nèi)，立即關(guān)閉爐門保溫30min，觀察其抗爆裂性。
2 結(jié)果與討論
2.1 水泥加入量對試樣常溫性能的影響
圖1示出了不同溫度處理后各試樣的顯氣孔率。從圖1可以看出，隨著水泥加入量的增加，110℃干燥后顯氣孔率略有降低，其原因為隨水泥加入量的增加其水化量也增加，而水泥水化是體積增加的反應(yīng)，水泥水化體積增加從而填充了氣孔；隨水泥加入量、(w)從2%增加到6%，1560℃燒后試樣的顯氣孔率明顯增加，從12.5%增加到18.9%，水泥為6%(w)時顯氣孔率最大，繼續(xù)增大水泥加入量時，顯氣孔率略有降低。
圖1 不同溫度處理后各試樣的顯氣孔率
圖2、圖3分別示出了不同溫度處理后各試樣的常溫抗折強度和耐壓強度。從圖2、圖3可以看出，隨著水泥加入量的增加，110℃干燥后常溫抗折強度及耐壓強度逐漸增加，強度增加是由于水化量增加，導(dǎo)致膠結(jié)強度增加；1560℃燒后常溫抗折強度及耐壓強度先增加后降低，然后再增加，在水泥加入量6%(w)時最低，分析原因認為隨著水泥加入量的增加，形成了板狀CA6增加了強度，但同時伴隨著體積變化又破壞強度，在相互作用之間形成強度變化，特別是在水泥加入量達到6%(w)時體積發(fā)生最大變化，對強度的影響也最大。
圖2 不同溫度處理后各試樣的常溫抗折強度
圖3 不同溫度處理后各試樣的常溫耐壓強度
圖4示出了水泥加入量對1560℃燒后線試樣變化率的影響。從圖4可以看出，水泥加入量(w)從2%增加到4%時，1560℃燒后試樣的線變化率略有降低，水泥加入質(zhì)量分數(shù)從4%增加到6%時線變化率顯著增加，從微收孔(-0.35%)顯著膨脹(1.620%)；水泥加入量超過6%(w)時線變化又逐漸減小。
總的來說，隨著水泥加入量的增加，試樣的常溫強度先增加后略有降低，顯氣孔率和線變化明顯增加。水泥加入質(zhì)量分數(shù)為6%時，試樣的顯氣孔率和線變化率最大，常溫強度最低。主要因為水泥加入質(zhì)量分數(shù)為6%時，1560℃燒后試樣中生成的六鋁酸鈣(CA6)量最大，導(dǎo)致試樣的體積明顯膨脹，顯氣孔率增加，強度下降，當(dāng)水泥加入質(zhì)量分數(shù)超過6%時，多余的CaO可與剛玉顆粒反應(yīng)形成CA6或二鋁酸鈣(CA6)，致使其膨脹量下降。
2.2 水泥加入量對試樣抗熱震性的影響
圖5示出了水泥加入量對1560℃燒后試樣抗熱震性的影響。
圖5 水泥加入量對1560℃燒后試樣抗熱震性的影響
從圖5可以看出，隨著水泥加入量的增加，經(jīng)1100℃水冷3次后試樣的抗折強度保持率逐漸增加，試樣的抗熱震性得到改善;水泥加入質(zhì)量分數(shù)為10%時，熱震后強度保持率最大。抗熱震性得到改善的原因與水泥加入量增加后所形成的CA6含量和顯微形貌有關(guān)，反應(yīng)生成的板片狀CA6能夠提高試樣的抗熱震性。
2.3 不同防爆劑對試樣抗爆裂性能的影響
將原料按表2配比稱量，原料配比相同的情況下分別加入質(zhì)量分數(shù)為0.03%聚丙烯纖維、0.05%偶氮甲酰胺、0.05%磷酸氫鈉及0.02%聚丙烯纖維+0.04%碳酸氫鈉，脫模后試樣的抗爆裂試驗結(jié)果見表3。從表3可以看出，單獨添加聚丙烯纖維的試樣，水泥加入量(w)≥6%(3#、4#、5#試樣)時400℃爆裂，添加偶氮甲酰胺的試樣沒有爆裂，600℃時試樣表面有裂紋，800℃試樣有明顯裂紋;采用碳酸氫鈉及復(fù)合防爆劑聚丙烯纖維+碳酸氫鈉的試樣，溫度為800℃沒有爆裂和裂紋出現(xiàn)，表明采用聚丙烯纖維+碳酸氫鈉復(fù)合對試樣的防爆效果最佳。
表3 不同防爆劑對試樣康爆裂性的影響
實際工業(yè)生產(chǎn)中，烘烤后座磚成品率由原來的60%提高到98.5%。采用水泥加入量(w)6%~10%、添加了復(fù)合防爆劑的高純剛玉尖晶石底吹氬透氣磚座磚在某大型鋼廠150t轉(zhuǎn)爐鋼包上進行了批量試驗，使用壽命由原來的平均31次提高到平均36次，取得了較好的效果。
3 結(jié)論
(1)隨著水泥加入量的增加，110℃干燥后試樣的常溫抗折強度及耐壓強度逐漸增加;1560℃燒后試樣的常溫抗折強度及耐壓強度先增加后降低，然后再增加，燒后線變化率先增加后降低。水泥加入量6%(w)時強度最低。顯氣孔率和燒后線變化率最大，其性能最差。
(2)隨著水泥加入量的增加，1100℃水冷3次熱震后，1560℃燒后試樣的強度保持率逐漸增加，抗熱震性得到改善，水泥加入質(zhì)量分數(shù)為10%時抗熱震性最好。
(3)添加防爆劑試樣的抗爆裂性能得到明顯改善，尤其采用碳酸氫鈉或碳酸氫鈉+聚丙烯有機纖維復(fù)合的防爆劑抗爆裂效果最好。
(4)采用水泥加入量6%~10%(w)、添加復(fù)合防爆劑的高純剛玉尖晶石底吹氬透氣磚的壽命由原來的平均31次提高到平均36次。