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試驗證明:鈦鋁酸鈣對環保炮泥性能的影響

發布日期: 2020-01-10 14:25:01    閱讀量(394)    作者:劉梓明

炮泥是保證高爐出鐵順利進行的關鍵耐火材料,起到堵塞出鐵口,延長出鐵口深度,保護爐缸側墻的作用。傳統炮泥多采用煤焦油和煤瀝青作為結合劑,在高溫使用過程中產生大量煙氣,導致爐前作業環境差,且煙氣中含有強致癌物質苯并[a]芘(BaP),對人體健康產生巨大危害。隨著環保意識的提高,越來越多的科研工作者開始呼吁使用環保型炮泥。鈦鋁酸鈣作為爐外冶煉法生產鈦鐵合金的爐渣,是一種多物相復合材料,多年來一直被作為廢棄物堆放,不但占用大量的土地資源,而且還會對土壤和水資源造成難以修復的破壞。因此,為響應“和諧美麗”的國家發展戰略,降低炮泥成本,實現固廢資源的循環利用,文章首先對鈦鋁酸鈣的各項性能進行了研究,之后探究了鈦鋁酸鈣取代棕剛玉在炮泥中使用的可行性,分析了鈦鋁酸鈣加入量對炮泥性能的影響。

1鈦鋁酸鈣的性能研究

1.1 理化性能

表1所示為鈦鋁酸鈣骨料相應的理化性能。由表1可知:鈦鋁酸鈣中主要化學成分有Al2O3、CaO與TiO2,還含有少量的SiO2、MgO、Fe2O3等雜質成分,且Al2O3的含量達到70wt%以上,顆粒體積密度較高。

表1鈦鋁酸鈣的理化性能

1.2物相組成

鈦鋁酸鈣不同溫度下的XRD圖譜如圖2所示。根據圖2(a)所示,常溫下鈦鋁酸鈣主晶相為CA6,Ca((Al0.84Ti0.16)2)6O19和CA2。CA6、CA2作為Ca-Al體系中的Al2O3含量較高的物相,其熔點很高,性能優良,廣泛應用于耐火材料相關領域。經過1400℃熱處理后如圖2(b)所示,鈦鋁酸鈣中的Ca((Al0.84Ti0.16)2)6O19和CA2物相基本消失,出現了TiO2、CaTiO3和Al2O3物相。說明試樣隨著溫度的升高,Ca((Al0.84Ti0.16)2)6O19不穩定發生分解,生成了TiO2、CaTiO3和Al2O3,CA2的消失也說明CA2與Al2O3發生了反應生成了CA6。

CaAl4O7+4Al2O3→CaAl12O19(1)

圖1鈦鋁酸鈣經不同溫度熱處理后的XRD圖譜

2鈦鋁酸鈣在環保炮泥中的應用研究

2.1實驗原料及方案

制備環保炮泥所采用的主要原料為:粒度為3~1、1~0mm、200目的棕剛玉、鈦鋁酸鈣;粒度為1~0mm、200目和800目的碳化硅;粒度≤3mm的焦炭;混合細粉為粒度為200目的粘土、絹云母、氮化硅鐵、高溫環保瀝青以及粒度為60~120目的藍晶石,結合劑采用環保樹脂。鈦鋁酸鈣取代棕剛玉的含量分別為0、35%、100%制備4組試樣,依次標注為R0、T0、T1、T2。控制炮泥的馬夏值一致后出料并記錄所加入的樹脂量。按照GB/T2997-2000(2004)測定試樣的體積密度和顯氣孔率;按照GB/T3001-2000測定試樣的常溫耐壓強度;按照GB/T5988-2004測定試樣的線變化率。物相分析采用X射線衍射儀(XRD,X’pertPowder,PANalytical,TheNetherlands)。

2.2鈦鋁酸鈣對炮泥性能的影響

鈦鋁酸鈣加入后對炮泥常溫物理性能的影響見圖2。由圖2(a)可知:經1100℃熱處理后,試樣呈現收縮且收縮量T1>T2>T0>R0,經過1400℃和1400℃重燒熱處理后,試樣線膨脹率保持一致為T2>T1>T0。由圖2(b)、(c)、(d)可知炮泥在經過不同溫度處理后,顯氣孔率T1>T2>T0>R0,體積密度R0>T0>T2>T3,耐壓強度T0>T2>T1。

圖2鈦鋁酸鈣對炮泥的常溫物理性能的影響

鈦鋁酸鈣原料本身的顯氣孔率高于棕剛玉(6.1%),密度低于棕剛玉(3.53g/cm3),故炮泥在引入鈦鋁酸鈣后顯氣孔率增加,體積密度降低。T1試樣顯氣孔率最大的原因:一方面是由于樹脂加入量最多,碳化后產生的收縮最大;另一方面是由于鈦鋁酸鈣與棕剛玉熱膨脹系數不同,在加熱過程中,由于熱膨脹系數失配會導致試樣內部產生裂紋。T1試樣中鈦鋁酸鈣取代棕剛玉量達75.9%,因此試樣內部生成由于熱膨脹系數不一致所導致的微裂紋最多,而T2試樣骨料僅含鈦鋁酸鈣,大顆粒熱膨脹系數單一,裂紋產生量較少。因此,T1試樣顯氣孔率最大,體積密度和耐壓強度最低。

試樣在經過1400℃熱處理后藍晶石的分解和SiO2與Al2O3反應會生成莫來石,而鈦鋁酸鈣則會發生如上述圖2和式(1)所示反應,其所含的CA2與原料中的Al2O3發生反應生成CA6相。莫來石和CA6的生成大大彌補了結合劑碳化和燒結過程產生的收縮,產生一定體積膨脹,加入量越多,相應的膨脹量越大,故膨脹量T2>T1>T0。對于鈦鋁酸鈣含量不同的炮泥試樣,隨著溫度的升高結合劑碳化,使得顯氣孔率大大增加,體積密度大大降低。當溫度達到1400℃后,由于莫來石和CA6的生成產生的體積膨脹抵消了部分氣孔,由表1可知,引入的鈦鋁酸鈣雜質相含量較高,在高溫作用下會促進液相燒結,進而填充一定的氣孔,使得顯氣孔率得以降低,體積密度有所增加。

3結語

(1)鈦鋁酸鈣的主要化學成分為Al2O3,主要物相組成為CA6,Ca((Al0.84Ti0.16)2)6O19和CA2,具有良好的理化性能。

(2)將鈦鋁酸鈣取代棕剛玉加入環保炮泥中,保持試樣的馬夏值不變,隨著結合劑加入量的增加,試樣的顯氣孔率增大,體積密度降低,常溫耐壓強度也有所下降;僅取代大顆粒時試樣的各項性能變化不大。

(3)從降低成本、保護環境、資源的再生利用角度考慮,鈦鋁酸鈣取代棕剛玉在炮泥中的應用具有可行性。

王凌云1,邱文冬1,梁永和2,崔秀君1,尹玉成2

(1. 上海寶鋼工業技術服務有限公司,上海201900;2.武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室,湖北武漢430081)

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