MgCO3微粉對剛玉質彌散型透氣磚性能的影響

邱 鑫 張仕鳴 康國衛 賈全利 劉新紅

鄭州大學河南省高溫功能材料重點實驗室 河南鄭州450052

鋼包底吹氬透氣磚是爐外精煉的功能性元件，對于提高鋼水純凈度有重要作用［1－2］。目前，精煉鋼包透氣磚的類型主要為直通型、狹縫型與彌散型三種［3］。與前兩種透氣磚相比，彌散型透氣磚采用不同粒度配比從而產生大量貫通氣孔，具有生產工藝簡單，鋼水凈化效果好，可靠性、安全性和經濟性高等特點［4－8］，目前得到較多的推廣應用。但因其氣孔大，顯氣孔率較高等使得彌散型透氣磚的強度較低，而且在進行吹氧清洗時蝕損快，壽命短，這制約了它的應用［9－10］。MgCO3在高溫下分解成MgO和CO2［11］，生成的MgO具有較高活性，可與基質中的Al2O3原位反應生成尖晶石，在一定程度上提高材料的強度［12］。本研究在前期工作的基礎上［13］，探索MgCO3加入量對剛玉質彌散型透氣磚性能的影響。

1 試驗

1.1 原料及試樣制備

試驗是以w（Al2O3）＝99%、w（Na2O）＝0.32%的電熔白剛玉顆粒（1.25～1、0.5～0.3 mm）為骨料，以w（Al2O3）＝34.56%和w（SiO2）＝49.86%的廣西白泥（≤74μm）、w（Al2O3）＝99.2%的氧化鋁微粉（≤5μm）、w（Cr2O3）＞98.5%的氧化鉻微粉（≤10 μm）、電熔白剛玉細粉（≤0.088 mm）、MgCO3微粉（≤10μm）為基質，基礎配比見前期工作［13］，用MgCO3粉等量取代剛玉細粉，MgCO3加入量（w）分別為0、1%、2%和3%。

按配比稱取原料，混合30 min后用50 MPa成型壓力壓制為25 mm×25 mm×150 mm和φ50 mm×50 mm的坯體試樣。坯體在室溫下養護8 h后再于110℃干燥24 h，最后在高溫爐中經1 650℃保溫3 h，冷卻至室溫待用。

1.2 性能檢測

1 650℃燒后試樣的線變化率、體積密度和顯氣孔率、常溫抗折強度和耐壓強度分別按照GB／T 5988—2007、GB／T 2997—2015、GB／T 3001—2017和GB／T 5072—2008進行；經1 400℃保溫0.5 h后試樣的高溫抗折強度根據GB／T 3002—2017測定；按GB／T 30873—2014測試試樣在1 100℃風冷循環3次的殘余強度，并計算強度保持率來判斷抗熱震性；試樣的透氣度根據GB／T 3000—2016測定。用XRD分析1 650℃燒后試樣的物相組成，用SEM 觀察1 650℃燒后試樣的顯微結構。

2 結果與討論

2.1 常溫物理性能

圖1示出了MgCO3加入量與1 650℃燒后試樣線變化率、體積密度、顯氣孔率、常溫抗折強度和常溫耐壓強度的關系。

圖1 1 650℃燒后不同MgCO3含量試樣的常規物理性能Fig.1 Physical properties of specimens with different MgCO3additions after firing at 1 650℃

由圖1可知：無MgCO3試樣的線變化率為0.25%，隨MgCO3含量的增加，試樣線變化率逐漸減小。當MgCO3為3%（w）時，試樣膨脹最小，為0.02%。隨MgCO3加入量的增加，試樣體積密度逐漸降低，當其含量為3%（w）時，試樣體積密度達到最小值，為2.83 g·cm－3；而顯氣孔率變化趨勢與體積密度相反，MgCO3為3%（w）時顯氣孔率最高，為27.40%。這是因為MgCO3在高溫條件下分解，產生MgO和CO2，氣體在排出過程中會形成氣孔，因此，試樣的顯氣孔率升高，體積密度降低。當MgCO3加入量為1%（w）時，試樣常溫耐壓強度和抗折強度達到最大，分別為57.7和10.4 MPa；繼續增加其含量時，試樣常溫耐壓和抗折強度略有降低。

2.2 高溫強度

圖2示出了經過1 650℃燒后試樣在1 400℃保溫0.5 h的高溫抗折強度。由圖2可知：當MgCO3加入量為1%（w）時，試樣的高溫抗折強度達到最大，為6.2 MPa；之后隨加入量增加高溫抗折強度略有降低，其變化趨勢與常溫強度變化趨勢相同。

圖2 不同MgCO3含量試樣的高溫抗折強度Fig.2 Hot modulus of rupture of specimens with different MgCO3additions

2.3 抗熱震性

圖3示出了1 100℃風冷3次后試樣的殘余抗折強度和抗折強度保持率。

圖3 不同MgCO3含量試樣的抗熱震性Fig.3 Thermal shock resistance of specimens with different MgCO3additions

由圖3可以看出，隨MgCO3加入量的增加，試樣的殘余抗折強度和抗折強度保持率逐漸降低。當MgCO3加入量為3%（w）時，試樣的殘余抗折強度和抗折強度保持率最小，分別為3.35 MPa和39.50%。主要原因為材料內部孔隙率增加以及顆粒之間結合程度的降低；此外，隨MgO含量的增加，高溫燒后試樣中低熔點相的含量增加。這些綜合作用導致試樣抵抗熱應力能力降低，表現為試樣抗熱震性降低。

2.4 透氣度

圖4示出了不同MgCO3含量試樣經1 650℃保溫3 h后的透氣度?？梢钥闯觯寒擬gCO3較少時（質量分數為0、1%、2%），透氣度變化不明顯；當MgCO3為3%（w）時，試樣透氣度達到最大，為1.26μm2。MgCO3加入量較多時，分解時產生的氣體也越多，提高了試樣內部氣孔之間的連通，對試樣透氣性能的提高有利。

圖4 1 650℃燒后不同MgCO3含量試樣的透氣度Fig.4 Permeability of specimens with different MgCO3additions fired at 1 650℃

2.5 物相組成及顯微結構

不同MgCO3加入量（加入質量分數分別為0、1%和3%）試樣經1 650℃燒后的XRD分析結果如圖5所示。

圖5 不同MgCO3加入量試樣經1 650℃燒后的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of specimens with different MgCO3additions fired at 1 650℃

由圖5可看出，不加和加1%（w）MgCO3試樣的物相主要為剛玉和鋁鉻固溶體，加1%（w）MgCO3試樣中尖晶石衍射峰很弱，表明其生成量很少；MgCO3加入量為3%（w）的試樣中有明顯鎂鋁尖晶石衍射峰。在高溫過程中，MgCO3分解產生的MgO與基質中Al2O3反應生成尖晶石相，一定程度上提高了試樣的強度。

圖6為試樣中MgCO3加入量（w）為0、3%時的SEM照片。與圖6（a）相比，圖6（c）中由于MgCO3分解過程中氣體的排出，導致基質出現明顯的孔洞，使得試樣氣孔連通性增強，透氣度增加，同時對其強度產生一定的負面影響。對比圖6（b）、圖6（d）兩圖可看出后者中顆粒與基質間結合面積較小，基質內有較多小氣孔（孔徑在10～50μm），這也降低了基質間的結合強度。

圖6 不同MgCO3加入量試樣的SEM照片Fig.6 SEM photos of specimens with different MgCO3additions

對圖6（b）、圖6（d）進行EDS分析，結果見表1。結合表1分析可以看出，點1處元素組成為Al、Cr和O，推測其為氧化鋁和氧化鉻組成；點2處元素組成為Al、Si、Mg、Cr和O，推測其為鉻剛玉和低熔點相；點3處Si含量較低，表明其主要為鉻剛玉、尖晶石相和少量的低熔點相。

表1 圖6中各點的能譜分析結果Table 1 EDS results of the marked points in Fig.6

3 結論

（1）隨MgCO3加入量的增加，1 650℃燒后試樣體積密度減小，顯氣孔率升高，耐壓強度、常溫抗折強度和高溫抗折強度先升高后降低，透氣度變化不大，風冷3次熱震后殘余抗折強度和強度保持率降低。

（2）在本研究中MgCO3加入量為1%（w）時試樣綜合性能最好，過量的MgCO3加入量會使試樣的各方面性能都降低。主要是MgCO3高溫下分解成MgO和CO2，MgO在燒結過程中與Al2O3原位反應生成尖晶石，使試樣強度提高；但過多的MgCO3加入量在高溫下產生過多的CO2氣體排出卻增大了氣孔率，導致試樣的強度降低。