鋁鎂質澆注料是一類以氧化鋁和氧化鎂為主要成分的耐火澆注料。按所用原料的品質不同可分為:普通鋁-鎂質澆注料、普通高鋁-尖晶石質澆注料、氧化鋁-氧化鎂質澆注料、氧化鋁-尖晶石質澆注料。
鋁鎂系澆注料的發展經歷過程如上圖1所示。抗渣性的好壞決定了鋁鎂質澆注料的發展。該澆注料中,隨著MgO含量的增加,其抗渣侵蝕性變好,但其抗渣滲透性卻降低。以往的研究表明,無論以鎂砂還是尖晶石的形式引入MgO,當MgO的含量為5~7%時,澆注料的抗侵蝕和抗滲透的綜合性能最好。
同時,MgO的熱膨脹系數大(0~1500℃為(14~15)×10-6/℃),并隨溫度升高而增加;熱導率隨溫度升高而降低(100℃時為34.3W/(m·K),1000℃時為6.7W/(m·K)),因而其熱震穩定性差,綜合考慮,在使用過程中應該控制MgO含量。尖晶石則表現出良好的熱震穩定性,抗侵蝕能力強,澆注料體積穩定性好。故鋁鎂質澆注料表現出以尖晶石取代MgO和以基質的形式引入MgO的發展趨勢。富鋁尖晶石由于表面能較大,晶界結合弱,活性大,容易反應,晶格中的空位可以捕獲Fe2+和Mn2+,表現出優于理論尖晶石的抗渣性,故鋁鎂澆注料傾向于采用富鋁尖晶石。
1、剛玉-尖晶石澆注料的特點
Al2O3-尖晶石澆注料,即剛玉-尖晶石澆注料。如上所述,氧化鋁-尖晶石質澆注料,是用電熔或燒結剛玉或板狀剛玉作骨料,粉料則由純的合成尖晶石粉、α-氧化鋁微粉、反應性氧化鋁粉、純鋁酸鈣水泥和分散劑組成,屬低水泥結合澆注料。
剛玉的熔點在2050℃左右,具有良好的耐磨和耐沖刷性能。而尖晶石(理論組成為MgO28.3%,Al2O371.7%)的熔點在2135℃附近,化學穩定性好,具有良好的熱震穩定性和抗侵蝕能力。這兩種物質組成的“純凈”體系,經高溫處理后,形成三種高熔點礦物相,即六鋁酸鈣,鋁鎂尖晶石和剛玉,被稱作最佳基質系統。其中尖晶石和剛玉在0~1000K的平均膨脹系數分別為7.6×10-6/K和8.8×10-6/K,二者會形成復相增韌,使澆注料具有良好的熱震穩定性。三種礦物相彼此之間形成很好地結合,使澆注料具有優異的抗渣性和抗熱震性,從而被廣泛應用于鋼包內襯、透氣元件和噴槍等部位。
2、粒度組成對剛玉-尖晶石澆注料的影響
合理的顆粒級配使澆注料具有優良的常溫強度,施工作業性能,以及適當的氣孔率和氣孔尺寸。根據Andreasen理論公式進行計算時,澆注料的粒度分布系數一般取0.2~0.3之間。要想獲得良好流動性的澆注料,關鍵在于對材料的原料顆粒分布(PSD)進行優化。
擋渣墻屬于振動澆注料預制塊,因此生產中施工性能的好壞直接影響其使用性能。因此,對于臨界顆粒以及顆粒組成的選擇顯得尤為重要。同時,在保證順利施工的前提下,不能降低其使用強度。
3、化學組成對剛玉-尖晶石澆注料的影響
剛玉-尖晶石澆注料中所用的剛玉類原料主要有板狀剛玉、致密剛玉、電熔
白剛玉、棕剛玉和礬土等。李友勝等研究認為,采用特級礬土、電熔白剛玉、電熔高鋁剛玉的剛玉-尖晶石澆注料,以電熔高鋁剛玉為骨料的澆注料流動性最好,而以電熔白剛玉為骨料的熱震穩定性最好。雷中興等研究了電熔白剛玉、棕剛玉及特級礬土三種骨料對鋁鎂質澆注料性能的影響,研究表明,棕剛玉作為骨料其澆注料流動性最好,其次是特級礬土熟料,電熔白剛玉的最差,但是以電熔白剛玉為骨料的澆注料其熱震穩定性最好。
鎂鋁尖晶石具有高熔點、較低的熱膨脹系數和熱導率等特性,更因為其良好的抗熱震性和抗堿性渣侵蝕能力而被廣泛應用于大型水泥回轉窯、鋼包內襯等高溫行業中。我國耐火材料行業用作原料的尖晶石(Al2O3和MgO)的含量一般在95-99%,鋁鎂尖晶石根據MgO含量的不同分為兩大類:富鎂尖晶石(MgO含量高于理論值)和富鋁尖晶石(MgO含量低于理論值)。
富鎂尖晶石基本用于堿性耐火材料,它含有游離的MgO,并且熱膨脹系數小,廣泛用于水泥窯的風口和高溫帶內;富鋁尖晶石因為具有陽離子晶格缺陷,能夠吸收渣中MnO和FeO,具有優良的抗渣性能而廣泛應用于煉鋼耐火材料。韓斌等研究了尖晶石粒度對澆注料性能的影響,認為隨著尖晶石顆粒含量的增加,試樣的燒后強度呈先升高后降低趨勢,燒后收縮減少,尖晶石細粉與顆粒為1:3的試樣抗熟震性較好。另外,在剛玉-尖晶石質澆注料中還需要加入其它為了獲取一定施工作業性能的材料,例如提高其結合強度的鋁酸鹽水泥、提高流動性能的超微粉等。研究者們為了進一步提高其整體性能,還做了大量的添加物對澆注料性能和壽命的影響的研究。