脫硫槍用莫來石—剛玉澆注料流動性的研究

李洪波 陳奇 趙繼增

(1.洛陽利爾耐火材料有限公司; 2.華東理工大學)

脫硫槍用莫來石—剛玉澆注料流動性的研究

李洪波1陳奇2趙繼增1

(1.洛陽利爾耐火材料有限公司; 2.華東理工大學)

以天然莫來石、電熔莫來石、剛玉粉為主要原料,研究了粒度級配、微粉種類和加入量、減水劑種類和加入量的對脫硫槍用莫來石—剛玉澆注料流動性的影響:先研究硅微粉加入量分別為 2%、3%、4%、5%對澆注料流動性的影響;然后將硅微粉加入量固定為 2%或 3%,研究α-Al2O3微粉加入量分別為 0、2%、4%、6%時對澆注料的流動性影響;最后研究三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉、S M、FDN四種減水劑對莫來石 -剛玉澆注料流動性的影響,三聚磷酸鈉和六偏磷酸鈉的加入量分別選取 0.1%、0.15%、0.2%、0.25%,S M加入量選取 0.2%、0.3%、0.4%、0.5%,FDN的加入量選取 0.1%、0.15%、0.2%、0.25%。試驗結果表明:硅微粉對流動性的改善作用優于氧化鋁微粉,但二者共用時對流動性的改善作用比單用硅微粉更好,此時最適宜的加入量為硅微粉%、氧化鋁微粉 2%;本試驗中最適宜的減水劑是六偏磷酸鈉,最佳加入量為 0.15%。

莫來石—剛玉澆注料 硅微粉 氧化鋁微粉 減水劑 流動性

0 前言

隨著人們對鋼材質量要求的日益提高,鐵水的除雜工作愈來愈得以重視,脫硫槍的應用也相應增多。目前,脫硫槍用耐火材料有鎂鋁質、剛玉質、高鋁質、莫來石質、粘土質、莫來石—剛玉質等[1-3]。由于脫硫槍澆注體部分為細長型,其長徑比可達 10倍以上,如果所用澆注料流動性差,施工時很容易產生空洞,使整支脫硫槍成為廢品,降低生產效率的同時還會帶來一定的經濟損失。另外,脫硫槍用澆注料的施工流動性還直接影響到澆注體部分的各項性能指標和脫硫槍的使用壽命。本工作主要研究了脫硫槍用莫來石 -剛玉澆注料的流動性。

1 試驗

1.1 原料

本試驗所用原料主要為天然莫來石、電熔莫來石、剛玉粉、氧化鋁微粉、硅微粉、純鋁酸鈣水泥,它們的主要性能指標見表 1。

1.2 試驗方案

本試驗采用 10～5 mm、5～3 mm、3～1 mm、1～0 mm、≤0.074 mm和微粉六個粒度級配。骨料部分粗、中顆粒采用天然莫來石,細顆粒采用電熔莫來石;基質部分中硅微粉含量為 2%～5%,鋁微粉含量為 0～6%,純鋁酸鈣水泥含量為 2%～7%,其它部分為電熔莫來石和剛玉粉;減水劑加入量為0.1%～0.5%。骨料和基質部分的質量比為70∶30,每組配方配料 2.5 kg。在研究粒度級配對莫來石—剛玉澆注料流動性影響時僅對骨料部分的天然莫來石和電熔莫來石的加入量進行調整,而不改變基質中硅微粉、鋁微粉、水泥和剛玉粉的加入量。在研究微粉加入量對莫來石 -剛玉澆注料流動性影響時,隨著微粉加入量的變化相應改變剛玉粉的加入量,而不改變其它原料的加入量;在研究減水劑加入量對莫來石 -剛玉澆注料流動性影響時,僅改變減水劑的種類和加入量。

表1 原料的主要理化性能

1.3 澆注料流動性的測試方法

人們通常根據 GB2419-81使用跳桌法測定澆注料振動 30次后的流動值。本試驗為了反映澆注料的流動性隨時間的變化情況,用跳桌法每振動 30次作為一個振動周期測試澆注料的流動值,通過四個振動周期的流動值變化來反映澆注料的流動性和流動值的衰減速度。具體操作方法簡述如下:首先將兩個金屬錐形漏斗模具 1安放在模具 2上方組合起來 (如圖 1所示),置于一個表面非常光滑的振動流動臺上 (臺面刻有便于測量的對角線;振幅為 0.75 mm,余震時間小于 2 s);然后將攪拌好的澆注料分兩次填滿錐形模具 2,用一定尺寸的鋼棒搗實后移去模具 1,抹平上表面;移去模具 2,用游標卡尺分別測量各個振動周期后兩個垂直相交的對角線方向上的泥料的鋪展直徑,并計算出平均值,作為其振動流動值。

圖1 測量澆注料流動值的模具示意圖

2 結果與討論

2.1 粒度級配的研究

本試驗依據 Dinger-Funk方程式通過計算機進行計算得到顆粒粒度組成,同時根據實際情況在計算出的粒度組成基礎上進行調整,得到有關流動性數據進行分析討論。

q值直接反映顆粒級配中粗、中、細顆粒和微粉的含量。根據經驗數據,q值在 0.28～0.3之間時,澆注料可以具有低自流、高振動流動值。脫硫槍用莫來石 -剛玉澆注料施工方式為振動成型,取 q值為 0.30?？紤]到基質部分的原料不是段砂而是篩下料,q值取 0.32,并在計算的數值基礎上參照經驗數值略加調整。本試驗中各種粒度組成的質量百分比數據見表 2。

表2 粒度級配試驗方案w/%

其中方案 1是根據公式計算后并對基質部分略加調整得出的粒度級配數據,方案 2～4是根據方案1對粒度級配進行調整后的數據。嚴格按表 2所示的粒度組成進行配料,并加入適量的水攪拌至和易性良好時,按前述試驗方法測試流動值。不同粒度級配方案對莫來石—剛玉澆注料流動性的影響結果如圖 2所示。由圖 2可以看出:按公式計算出的方案 1的流動性最差,調整粒度組成后的方案 2和 3的流動性明顯優于方案 1。

圖2 不同粒度級配方案對莫來石—剛玉澆注料流動性的影響

分析認為,公式推導過程中是依據顆粒的體積堆積進行的,而在實際配料過程中是按質量比進行的。如果選用同一種原料配料,則計算出的粒度級配組成應該是合適的;但如果配料過程中選用不同種原料,就應該考慮不同種原料因體積密度不同所帶來的影響。本試驗中粗顆粒選用天然莫來石原料,同其他幾種原料相比體積密度較小,按公式計算出的數據以質量比配料時天然莫來石體積數就偏大,顆粒數量也就偏多,這種影響在中顆粒上表現的更加明顯些,導致中顆粒填滿大顆粒堆積的空隙后仍有剩余,達不到最緊密堆積。采取改善流動性的措施有兩種:第一種是增加大顆粒數量,相應減少中顆粒數量,使中顆粒剛好填充大顆粒的空隙;另一種是減少天然莫來石的質量,增加其他材料的質量,也就降低了粗顆粒形成的空隙數量,增加了用以填充的細顆粒的數量,但同時會增加原料成本。

本試驗中從原材料成本方面考慮,采取了第一種改善流動性的措施。方案 2通過增加 10～5 mm粒度顆粒的數量,減少 5～3 mm粒度顆粒的數量,流動性比方案 1明顯改善;方案 3通過增加 5～3 mm粒度顆粒的數量,減少 3～1 mm粒度顆粒的數量,流動性與方案 1相比也有明顯改善;方案 4在方案 3基礎上減少 5～3 mm粒度顆粒的數量,增加 3～1 mm粒度顆粒的數量后,流動性比方案 3明顯下降,這也進一步證明粒度級配調整方案的正確性。

試驗還發現,第一個振動周期結束后,方案 1的流動性略優于方案 4,但隨著振動時間的延長,方案1的流動性變得不如方案 4。仔細觀察振動后期的泥料,發現方案 1存在少量大顆粒相互接觸的現象。分析認為:由于方案 1中大顆粒相對較多,隨著振動時間延長,泥料高度下降,部分大顆粒間互相接觸形成橋架,影響了材料的流動性,因而,隨著振動時間的延長,方案 4的流動性由不如方案 1變為優于方案 1。在實際應用中,振動時間一般較長,也就是說方案 4按標準測試的流動性不如方案 1,但由于其流動值衰減慢,因而比方案 1更適應于工業化生產應用。這就帶來一個新的課題,在研究澆注料流動性的時候,不能單純依據標準用跳桌法測量振動 30次的流動值來判斷澆注料流動性,還要研究澆注料流動值隨時間的變化,即流動值的衰減速度。

2.2 微粉種類和加入量的影響

2.2.1 硅微粉加入量的影響

根據前述粒度級配對流動性影響的試驗,在第3種方案基礎上研究在不含氧化鋁微粉的條件下,硅微粉加入量對莫來石 -剛玉澆注料流動性的影響,試驗結果如圖 3所示。圖中編號 S1、S2、S3、S4的硅微粉加入量分別為 2%、3%、4%、5%。

由圖 3可知,隨著硅微粉加入量的增加,莫來石

圖3 硅微粉加入量對莫來石 -剛玉澆注料流動性影響

-剛玉澆注料的流動值先增加后減小,硅微粉加入量為 4%時,流動性最好。分析認為:硅微粉加入量不足時,無法完全填充澆注料堆積后形成的孔隙,不能達到充分有效減水的目的,流動性就差;而硅微粉加入量過大時,多余的硅微粉就要吸收更多的水,另一方面,多余的硅微粉也會因團聚而使澆注料粘度增加,引起流動性下降。

另外,由圖 3可知,第一個振動周期結束后,S4的流動性優于 S2,但在第二個振動周期結束后,S4的流動性變為比 S2差,隨著振動周期的增加,S4的流動性和 S2相比越來越差。分析認為:硅微粉過量時,因微粉團聚,致使澆注料粘度增加,從而引起流動值衰減過快,澆注料流動性變差。

2.2.2 α-Al2O3微粉加入量的影響

將硅微粉的加入量固定為 2%和 3%,研究不同的α-Al2O3微粉加入量對莫來石 -剛玉澆注料流動性的影響。圖 4(a)中硅微粉加入量為 2%,編號 A1、A2、A3、A4的α-Al2O3微粉的加入量分別為 0、2%、4%、6%;圖 4(b)中硅微粉加入量為 3%,編號 A5、A6、A7、A8的α-Al2O3微粉的加入量分別為 0、2%、4%、6%。

圖4 α-Al2O3微粉加入量對澆注料流動性的影響

由圖 4可知,當硅微粉加入量為 2%,α-Al2O3微粉加入量在 0%～6%范圍內增加時,流動性逐漸變好,α-Al2O3微粉加入量為 6%時可獲得最好的流動性;當硅微粉加入量為 3%,α-Al2O3微粉加入量在 0%～6%范圍內增加時,流動性先變好后變差,α-Al2O3微粉加入量為 2%時可獲得最好的流動性。對比圖 4(a)和 (b)可知,當硅微粉加入量為2%,α-Al2O3微粉加入量達到 6%時,流動性仍不如只加入 3%硅微粉而不加鋁微粉的試樣 A5,說明氧化鋁微粉對改善澆注料流動性的作用效果遠不如硅微粉明顯。

對比圖 3和圖 4可知,硅微粉加入量為 4%的試樣 S3的流動性不如硅微粉加入量為 3%、氧化鋁微粉加入量為 2%的試樣A6。說明硅微粉和氧化鋁微粉共用時對流動性的改善效果要優于單用硅微粉。

分析認為:活性α-Al2O3微粉多為經過研磨加工的細小晶態微粒,填充孔隙的作用遠不如呈球形中空顆粒狀的無定形態 SiO2。另外,本試驗中選用的α-Al2O3微粉顆粒中位徑在 2μm左右,同平均粒徑 0.15μm左右的活性硅微粉相比大得多,填充孔隙、改善流動性的效果也就較差。然而,單獨使用硅微粉時,填充在稍大孔隙的內的硅微粉會存在團聚而影響澆注料流動性;當二者合用時,粒度稍大的氧化鋁微粉可以填充稍大的孔隙,硅微粉填充稍小的孔隙,同時,氧化鋁微粉顆粒形成的孔隙又可被硅微粉填充,澆注料的流動性會大大改善。

2.3 減水劑種類和加入量研究

三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉、S M、FDN四種減水劑及加入量對莫來石 -剛玉澆注料流動性的影響結果如圖 5所示。圖 5中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別代表四個振動周期結束后測定的流動值;J10、J15、J20、J25分別代表三聚磷酸鈉加入量為 0.1%、0.15%、0.2%、0.25%;P10、P15、P20、P25分別代表六偏磷酸鈉加入量為 0.1%、0.15%、0.2%、0.25%;S20、S30、S40、S50分別代表 S M加入量為 0.2%、0.3%、0.4%、0.5%;F10、F15、F20、F25分別代表 FDN加入量為 0.1%、0.15%、0.2%、0.25%。

圖5 減水劑種類和加入量對莫來石 -剛玉澆注料流動性影響

由圖 5可知,三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉和 FDN加入量在 0.1%～0.25%內逐漸增加時,莫來石 -剛玉澆注料的流動性均是先變好,后變差,最佳加入量均為 0.15%;S M加入量在 0.2%～0.5%內逐漸增加時,澆注料的流動性是先變好后變差,最佳加入量為 0.3%。

由圖 5還可以看出,無機減水劑三聚磷酸鈉和六偏磷酸鈉對莫來石 -剛玉澆注料流動性的改善效果優于有機減水劑 S M和 FDN,更適合用作莫來石 -剛玉澆注料的減水劑。本試驗中六偏磷酸鈉是莫來石 -剛玉澆注料最適宜的減水劑,最佳加入量為 0.15%。

2.4 產品的理化性能指標

按據方案 3中的粒度級配,加入 3%硅微粉、2%氧化鋁微粉、0.15%六偏磷酸鈉進行配料,測得莫來石 -剛玉澆注料理化性能指標典型值見表 3。

表3 澆注料理化性能指標典型值

3 結論

1)由于原料體積密度不同,由公式計算出的粒度級配不一定最合適,需根據所用原料的實際情況圍繞公式進行粒度級配調整,以得到最適宜的粒度級配。

2)硅微粉對莫來石 -剛玉澆注料流動性的改善效果優于氧化鋁微粉,單獨使用硅微粉時,最適宜的加入量為 4%;二者共同使用時對莫來石 -剛玉澆注料流動性改善效果優于單獨使用硅微粉,最適宜的加入量為硅微粉 3%、氧化鋁微粉 2%。

3)無機減水劑對莫來石 -剛玉澆注料的減水效果優于有機減水劑,最適宜的減水劑是六偏磷酸鈉,最佳加入量為 0.15%。

4)研究澆注料流動性的時候,不能單純依據標準用跳桌法測量振動 30次的流動值來判斷澆注料的流動性,還要研究澆注料流動值隨時間變化,即流動值的衰減速度,才能更好地研究澆注料的流動性。

[1] 甘菲芳,陳榮榮,閻文龍.鐵水預處理用噴槍澆注料的研制與使用[J].耐火材料,2001,35(4):216-218.

[2] 劉大波.KIP噴槍澆注料的研制生產及在煉鋼中的應用[J].河南冶金,1995(4):10-12.

[3] 黃曉鵬,曲本蘭.BL-2耐火澆注料在寶鋼鐵水脫硫噴槍上的應用[J].江蘇冶金,1990(5):53-54.

ESEARCH ON THE FLOWABI L ITY OF THEM ULL ITE-CORUNDUM CASTABLE FOR DESULFURIZING INJECTI ON LANCE

Li Hongbo1Chen Qi2Zhao Jizeng1

(1.Luoyang lirr refractories Co.,Ltd; 2.East China University of Science and Technology)

Mullite-corundum castable specimets for desulfurizing injection lance were prepared with rude mullite,fused mullite and corundum powder as staring materials,effect of the different granularities,addition of the different micropowder and the dispersant on flowability of the castble was studied:First,SiO2micropowder contents of 2%,3%,4%,5%was studied;Second,theα-Al2O3micropowder contents of 0%,2%,4%,6%was studied at the different SiO2micropowde contents of 2%,3%;At the last,the addition of the different dispersants such as P3or P6 contents 0.1%,0.15%,0.2%,0.25%,S M contents 0.2%,0.3%,0.4%,0.5%,FDN contents 0.1%,0.15%,0.2%,0.25%was studied.The result showed that SiO2micropowderwas better thanα-Al2O3micropowder on effect of flowability,blend of SiO2micropowder content 3%andα-Al2O3micropowder content 2%was the best one.In addition,the other conclusion was that the best dispersantwas P6 and the best contentwas 0.15%

Mullite-corundum castable SiO2micropowder α-Al2O3micropowder Dispersant Flowability

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:2009—10—29