鉻剛玉 用鋁鉻渣取代燒結(jié)剛玉，制成的透氣磚在210噸鋼包

鋁鉻渣是鋁熱法冶煉金屬鉻所產(chǎn)生的副產(chǎn)品，其中的鉻元素會對環(huán)境產(chǎn)生長久的污染，資源化利用是處理鋁鉻渣的重要途徑。目前，鋁鉻渣已被用來制作陶瓷顏料或回收其中的鉻和鋁。鋁鉻渣含有大量的氧化鋁和氧化鉻，可作為耐火原料。例如：將鋁鉻渣應(yīng)用于鋼包磚、銻冶煉爐用鉻剛玉磚和電爐爐蓋澆注料中，并取得較好的使用效果;鋁鉻渣和氧化鎂混合，可合成鎂鋁鉻尖晶石原料;將≤2mm的鋁鉻渣與其他原料混合，最終經(jīng)熔煉可得較純的鉻剛玉原料;此外，冶煉金屬鉻所產(chǎn)生的鋁鉻渣還可以經(jīng)二次還原回收金屬鉻，剩余的還原鋁鉻渣還可作為耐火原料。

剛玉-尖晶石質(zhì)耐火材料由于其自身特征，被廣泛應(yīng)用于鋼包包襯、鋼包吹氬透氣磚等使用環(huán)境較惡劣的部位。為了拓展鋁鉻渣的資源化利用途徑及降低產(chǎn)品的成本，本試驗中研究了添加鋁鉻渣對剛玉-尖晶石澆注料性能的影響，并制成透氣磚在210t鋼包中進(jìn)行了初步應(yīng)用試驗。

本文采用的主要試驗原料有鋁鉻渣(8～5、5～3、3～1和≤1mm)、燒結(jié)剛玉(≤8mm)、燒結(jié)尖晶石(≤0.080mm)、Secar71水泥、α-Al2O3微粉、高效減水劑等。原料的主要化學(xué)組成見表1。

表1 原料的主要化學(xué)組成

鋁鉻渣以氧化鋁和氧化鉻為主要組成，含有一定量的金屬鉻、氧化鈣、氧化鎂和氧化鈉，Cr6+含量為0.02%(w);其礦物組成為鉻剛玉固溶體、鈉離子型β-Al2O3及固溶了鈣、鎂離子的β-Al2O3固溶體。其中，鉻剛玉固溶體是優(yōu)質(zhì)耐火原料，β-Al2O3是可利用的耐火原料，金屬鉻可認(rèn)為對試樣沒有負(fù)面影響。

試樣制備及性能檢測

用鋁鉻渣取代相應(yīng)粒度的燒結(jié)剛玉，試樣配比見表2。按表2混料，混合均勻后，在10℃、相對濕度為55%的條件下澆注成40mm×40mm×160mm的試樣。成型后試樣在20～30℃、相對濕度為75%條件下養(yǎng)護(hù)12h，再于110℃干燥12h，然后經(jīng)1550℃保溫3h燒成。

表2 試樣配比

按GB/T5988—2007測定燒后試樣的加熱永久線變化率，分別按GB/T3001—2007、GB/T5072—2008測定燒后試樣的抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度，按GB/T2997—2000測定燒后試樣的體積密度和顯氣孔率，按GB/T3002—2004測定燒后試樣的高溫抗折強(qiáng)度(1450℃保溫30min)。

將1550℃保溫3h燒后的試樣在1100℃下加熱均勻后，在室溫下迅速風(fēng)冷30min，再次置于1100℃爐內(nèi)加熱并保溫30min，再風(fēng)冷。如此循環(huán)3次后，測試試樣的常溫抗折強(qiáng)度，用熱震后試樣的常溫抗折強(qiáng)度保持率來表征其抗熱震性。

結(jié)果與分析

1、體積密度與顯氣孔率

1550℃燒后試樣的顯氣孔率和體積密度見圖1。從圖1中可以看出：加入鋁鉻渣后，試樣的體積密度與顯氣孔率的波動不大，且沒有明顯規(guī)律。澆注料的體積密度取決于原料自身的體積密度、粒度級配是否合理及加水量等因素。鋁鉻渣是工業(yè)副產(chǎn)品，顆粒的體積密度差異較大。因此，鋁鉻渣加入量對試樣體積密度和顯氣孔率的影響沒有明顯規(guī)律。

圖1 1550℃保溫3h燒后試樣的體積密度和顯氣孔率

2、強(qiáng)度

1550℃燒后試樣的常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度見圖2。可以看出：除試樣L40外，其余試樣的常溫耐壓強(qiáng)度皆有所提高，其中試樣L20的增幅達(dá)到10.56%;常溫抗折強(qiáng)度基本全部降低，其中試樣L30與試樣L0相比，其抗折強(qiáng)度降幅高達(dá)31.98%。

圖2 鋁鉻渣加入量對1550℃保溫3h燒后試樣常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度的影響

鋁鉻渣不同顆粒之間的強(qiáng)度差異較大，因此，隨著其加入量的增加，試樣的燒后常溫強(qiáng)度特征沒有明顯規(guī)律。從使用角度而言，雖然工程應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)減少產(chǎn)品所受剪切作用力，但上述強(qiáng)度基本滿足透氣磚的應(yīng)用需要。加入鋁鉻渣后試樣的耐壓強(qiáng)度比較理想，是產(chǎn)品應(yīng)用的基礎(chǔ)保證。

燒后試樣在1450℃保溫30min條件下的高溫抗折強(qiáng)度見圖3。可以看出，隨著鋁鉻渣加入量的增加，除了試樣L10外鉻剛玉，其他試樣的高溫抗折強(qiáng)度全部有所增加，試樣L20增加的最多。高溫抗折強(qiáng)度增加可能是因為鋁鉻渣中的鉻元素遷移到基質(zhì)中，與氧化鋁形成鉻剛玉固溶體，具有化學(xué)增強(qiáng)的作用[12]。此外，鋁鉻渣中的鈣元素也會和基質(zhì)中的氧化鋁在此溫度下反應(yīng)生成CA6，也具有化學(xué)增強(qiáng)效應(yīng)。

圖3 鋁鉻渣加入量對燒后試樣高溫抗折強(qiáng)度(1450℃)的影響

3、加熱永久線變化率

1550℃保溫3h燒后試樣的加熱永久線變化率見圖4。可以看出：隨著鋁鉻渣加入量的增加，試樣的加熱永久線變化率基本呈線性增大。這可能是由于鋁鉻渣中的CaO，在一定溫度下與試樣中的Al2O3反應(yīng)生成CA6的過程中伴隨有體積膨脹，且占主導(dǎo)地位。隨著鋁鉻渣加入量的增加，試樣中生成的CA6隨之增加，導(dǎo)致試樣加熱永久線變化率基本呈線性增大。

圖4 鋁鉻渣加入量對1550℃保溫3h燒后試樣加熱永久線變化率的影響

4、抗熱震性

圖5示出了鋁鉻渣加入量對試樣抗熱震性的影響?？梢钥闯觯嚇覮30的常溫抗折強(qiáng)度保持率最高，較試樣L0增加了18.8%，其他試樣的強(qiáng)度保持率都比試樣L0的低。

圖5 鋁鉻渣加入量對試樣抗熱震性的影響

在水泥結(jié)合剛玉-尖晶石澆注料體系中引入一定量的鋁鉻渣后，剛玉和尖晶石之間的合理搭配、CA6相形成的量及氧化鉻與上述物相之間的固溶情況，能夠有效地提高試樣的抗熱震性。特別是當(dāng)氧化鉻存在時，加入鋁鉻渣后試樣的抗熱震性會有所改善。但除試樣L30外，試樣的抗熱震性呈降低趨勢，很大可能是因為試驗用鋁鉻渣原料的組成、熱膨脹性能、力學(xué)性能及組織結(jié)構(gòu)的不均勻性造成的。

工業(yè)應(yīng)用

根據(jù)上述試驗結(jié)果，結(jié)合透氣磚實踐經(jīng)驗，以L30方案為基礎(chǔ)，適當(dāng)優(yōu)化配方及燒成溫度(1580℃保溫2h)后，制成整體型透氣磚，其性能指標(biāo)見表3。

表3 所制產(chǎn)品的物理性能

產(chǎn)品在210t鋼包進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用鉻剛玉，鋼包工況條件為：轉(zhuǎn)爐煉鋼1h，轉(zhuǎn)爐出鋼溫度1570℃，爐外精煉1為LF，最高精煉溫度1680℃，精煉時間48min;爐外精煉2為RH，精煉時間40min，連鑄時間50min，鋼包周轉(zhuǎn)周期6h。試驗磚和常規(guī)產(chǎn)品在鋼包試用的結(jié)果見表4。

表4 210t鋼包試用結(jié)果

210t大型鋼包工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明，加入30%(w)鋁鉻渣的透氣座磚能夠完全取代常規(guī)產(chǎn)品，加入30%(w)鋁鉻渣的透氣芯也能夠滿足現(xiàn)場冶煉需要，但損耗速率略高于常規(guī)產(chǎn)品。

實驗結(jié)論

(1)鋁鉻渣對剛玉-尖晶石澆注料的顯氣孔率和體積密度及燒后的常溫耐壓強(qiáng)度影響不大，燒后常溫抗折強(qiáng)度有所降低，加入30%(w)以上的鋁鉻渣可以在一定程度上提高其高溫抗折強(qiáng)度。鋁鉻渣的引入對剛玉-尖晶石澆注料的加熱永久線變化率有顯著的作用，且隨鋁鉻渣加入量增加而增強(qiáng)。加入30%(w)鋁鉻渣試樣的熱震后常溫抗折強(qiáng)度保持率明顯提高。

(2)在210t精煉鋼包中的工業(yè)應(yīng)用試驗可知，加入30%(w)鋁鉻渣的透氣座磚能夠完全取代常規(guī)產(chǎn)品，加入相同質(zhì)量鋁鉻渣的透氣芯也能夠滿足現(xiàn)場冶煉需要，但損耗速率略高于常規(guī)產(chǎn)品。

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