添加电熔镁锆合成料的镁锆不烧砖组成、结构和性能的研究

摘要

随着洁净钢技术的发展，钢铁用耐火材料不仅要保证炼钢流程安全、高效运行，还要求对钢水质量有益。含有Al2O3、SiO2、C等组分的耐火材料对某些钢种使用受到限制，而碱性耐火材料如MgO基、MgO-CaO基材料具有一定净化钢水的作用。MgO质耐火材料的热震稳定性和抗渣渗透性不好，通过引入适量的ZrO2组分制成性能有所改进的碱性耐火制品，成为碱性耐火材料的一个研发热点。 出于改善镁质耐火材料的关键性能而更均匀地引入ZrO2和简化工艺、节能的考虑，本课题以MgO含量97％的电熔镁砂和ZrO2含量14.33％预合成电熔镁锆料为原料，以酚醛树脂为结合剂，用 400t摩擦压砖机模压成型，制备了ZrO2含量分别为0％、2％、4％、6％和8％的镁锆不烧砖（MZ0～MZ8），研究了ZrO2含量对其热震稳定性、抗渣侵蚀性、常温物理性能和力学性能的影响。 由于电熔镁锆料和镁砂的密度差异，前者替代后者后，对镁锆不烧砖的体积密度和显气孔率产生些微影响。镁锆不烧砖的耐压强度介于105~120 Mpa，随ZrO2含量的增加，总体呈上升趋势。抗折强度大于20MPa，随ZrO2含量增加而渐增。ZrO2在8％以内的引入，提高了1600℃×3h热处理后镁锆不烧砖试样1500℃的热态抗折强度, 自MZ0的0.5MPa提高到MZ8的2MPa。机理在于所用电熔镁锆共晶合成料中ZrO2主要富集在MgO的晶界上，增强了原本脆弱的MgO晶界，提高了晶界在高温下抗滑移的能力。 热震稳定性的评价采用加热-风冷后测量抗折强度保持率的方法。ZrO2的引入改善了MgO质耐火制品的热震稳定性。各试样经1000℃-风冷一次后的残余抗折强度保持率由MZ0的20％提高至MZ8的70％以上。当ZrO2含量高于4％之后，变化趋向平缓。ZrO2的引入对热震稳定性改善的机理认为在于基质内方镁石和立方氧化锆热膨胀系数不匹配导致的微裂纹增韧。 采用CaO/SiO2质量比为3.6的精炼钢渣进行了1650℃回转抗渣试验，对抗渣后部分试样的显微结构借助SEM和EDAX做了分析。ZrO2的引入对抗渣性有两面性。可以改善抗渣渗透性，尤其是以镁锆电熔料细粉形式引入时效果更佳。原因在于ZrO2与渣中的CaO反应生成高熔点相CaZrO3，伴随一定的体积膨胀，可细化熔渣渗透通道。但当ZrO2含量过大达6％-8％时，会造成热膨胀不匹配效应加剧，产生较大裂纹甚至剥落，抗渣渗透性随之恶化。ZrO2的引入对抗渣侵蚀性有所不利，随其含量增加，试样的侵蚀深度总体呈上升趋势。当ZrO2≤4％时，以侵蚀损毁为主，蚀损深度约12mm，略有上升；而当ZrO2＞4％时，以渗透和剥落损毁为主，蚀损深度高达25mm以上。 权衡利弊，ZrO2的最佳引入量宜为4％。本工作所采用的技术路线以及对强度、热震稳定性和抗渣性的研究结果对今后此类材料的开发应用和性能改进具有指导意义。