耐热钢纤维对高纯度刚玉质浇注料性能的影响

 浙江至德钢业有限公司研究了外加不同质量分数的耐热钢纤维（分别为1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％）对高纯度刚玉质浇注料性能的影响。综合结果表明：当耐热钢纤维加入量为2.5％时，经过低、中、高温热处理后的高纯度刚玉质浇注料具有较高的体积密度、适宜的线变化、较高的抗折强度和耐压强度；经1100℃水冷循环５次后试样的残余抗折强度和残余耐压强度较高，其抗热震性能较佳。

 高纯度刚玉质浇注料主要以板状刚玉、超微粉、纯铝酸盐水泥、高效减水剂配制而成，因其具有纯度高、强度大、抗熔渣侵蚀性强、寿命长等优点，广泛应用于炼钢热工设备上。但是，存在的现实问题是：浇注体因炼钢热工设备存在间歇式生产导致温度变化、内部温度梯度差异导致产生热应力裂纹，以及维修时外部机械撞击导致产生机械应力裂纹，致使浇注体表面剥落、开裂，使用寿命下降，甚至造成生产事故。

 鉴于耐火材料属于脆性材料，在浇注料中引入具有高弹性模量、高抗拉强度的耐热不锈钢纤维可以起到增韧补强的效果，它将改变浇注料的内部应力分布，阻止裂纹扩展，提高浇注料在高温下的抗机械冲击和抗急冷急热性能。同时，钢纤维在浇注料中均匀分散，形成网络架状起到牵引搭桥的作用，当浇注体出现裂纹后可以把浇注料产生的裂纹界面连接起来，使浇注料在开裂后仍能承载工作。

 在本工作中，研究了钢纤维最佳加入量及耐热钢纤维对高纯度刚玉质浇注料性能的影响。

一、试验

  1. 原料

  高纯度刚玉质浇注料的主要原料有板状刚玉颗粒、板状刚玉粉、CL370C、71水泥。主要原料的化学组成见表。其它外加剂有防爆纤维、高效减水剂和耐热钢纤维。所用耐热钢纤维牌号为446°，形状似舟形匣钵，长度为27~30mm，宽度为0.8~1.1mm，厚度为0.3~0.5mm。其化学组成（%）为：C≤0.30%，Si≤3.0%，Mn 1.0%~1.5%，Cr24%~27%，P≤0.04%，Ni 0.45%，Gu<0.25%，B<0.003%，S<0.03%。抗拉强度（20℃）为490MPa，弹性模量为2.06TPa，线膨胀系数为12.5×10k。

  2. 设计方案

   基础配方为：骨料采用板状刚玉（6~15mm、6～3mm、3~1mm、1~0.5mm、0.5~0mm）70%，基质料采用板状刚玉粉和CL370粉20%，结合剂采用71*水泥7%，外加剂3%，有机纤维0.1%（外加）。在上述配方的基础上，分别外加质量分数为1%、1.5%、2%、2.5%3%和3.5%的耐热钢纤维。

二、试验过程

  1. 配制工艺

  首先准确称量耐火骨料、粉料、结合剂和外加剂，倒入强制搅拌机干混1分钟；之后加水湿混，同时将耐热钢纤维均匀撒进料中，不得成团放入；最后混炼1分钟即可出料。总混炼时间不得少于5分钟。

  2. 制样

  采用振动台振动浇注成型为40mm×40mm×160mm的试样6组，自然养护24小时后脱模，于110℃烘干24小时后，分别在1000℃、1350℃和1500℃保温3小时煅烧，然后检测烧后试样的线变化率、体积密度、抗折强度、耐压强度和抗热震性等性能。

三、结果与分析

  钢纤维加入量对不同温度处理后试样体积密度的影响见图。可以看出，随耐热钢纤维加入量的增加，110℃烘干后试样的体积密度整体呈微增长趋势，1000~1500℃热处理后试样的体积密度波动较大；在钢纤维加入量为2.5%时，中、高温处理后试样表现出较高的体积密度，随后其加入量大于2.5%时，试样体积密度基本呈下降趋势。

  钢纤维加入量对不同温度处理后试样线变化的影响见图。可以看出，110℃烘干后试样均发生少量收缩，其线变化波动于-0.09%~0%之间；1000℃热处理后的试样除钢纤维添加1%时收缩，其它添加量时都表现为膨胀，其线变化率在-0.09%~0.31%之间波动。1350℃和1500℃热处理后试样均发生膨胀，并且其线膨胀率基本随耐热钢纤维加入量的增加而呈增大趋势。究其原因：一方面由于钢纤维的热膨胀系数较大，在高温下的膨胀量大于浇注料基体材料的收缩；另一方面因为高温下，c-Al20；与纯铝酸盐水泥带入的CaO反应生成大量的CA。及CA₂等矿物晶体，伴随体积膨胀。

  强度的影响见图，可以看出，随耐热钢纤维加入量的增加，110℃烘干和1000℃热处理后试样的常温抗折强度基本呈增大趋势。在钢纤维加入量为2%时，试样常温抗折强度最低；1350℃热处理后试样常温抗折强度呈不规则变化，在钢纤维加入量为2.5%时，试样常温抗折强度最高；1500℃热处理后试样的常温抗折强度不规则变化，在钢纤维加入量为2%时，试样常温抗折强度显著降低。在钢纤维加入量为1.5%、2.5%、3.5%时，试样常温抗折强度表现良好；110℃烘干后试样的常温抗折强度整体上要比1000℃和1350℃热处理后的高，但随着热处理温度从1350℃升高到1500℃，试样高温下出现液相烧结，并形成CA。和CA2矿物相，在基质中形成网络结构，提高了试样的烧后强度。

  钢纤维加入量对不同温度热处理后试样常温耐压强度的影响见图。可以看出，110℃烘干后试样的常温耐压强度总体上要比中高温热处理后的高。随着钢纤维加入量的增加，耐压强度先增加后下降，在钢纤维加入量为3%时达到最大值；1000℃热处理后试样的耐压强度随钢纤维的增加上下波动，在1.5%和3%时强度较差；1350℃热处理后试样的耐压强度随钢纤维的增加基本呈下降趋势，在1%、1.5%和2.5%时强度较佳；1500℃热处理后试样的耐压强度随钢纤维的增加呈不规则变化，在1%和2.5%时强度最佳。

  1100℃水冷循环5次后试样的残余抗折强度和残余耐压强度见图。可以看出，随着钢纤维加入量的增加，1100℃水冷循环5次后试样的残余抗折强度基本保持逐渐增加趋势，在钢纤维加入量为3.0%时达到最大；在3.5%时，试样残余抗折强度略有降低。残余耐压强度在钢纤维加入量从1%增加到1.5%时下降，从1.5%增加到2.5%时呈上升趋势；在钢纤维加入量为2.5%时，试验残余耐压强度达到最大；随后在3%和3.5%时，试验残余耐压强度有所减小。

四、结论

  1. 随耐热钢纤维加入量的增加，110℃烘干后试样的体积密度整体呈微增长趋势，110℃和1000℃热处理后试样的常温抗折强度基本呈增大趋势，1350℃热处理后试样常温抗折强度在钢纤维加入量为2.5%时最高；1500℃热处理后试样的常温抗折强度在钢纤维加入量为2%时显著降低，而试样在钢纤维加入量为1.5%、2.5%和3.5%时，其常温抗折强度表现良好。

  2. 随耐热钢纤维加入量的增加，110℃烘干后试样耐压强度近似呈先增加后下降趋势，在钢纤维加入量为2.5%和3%时强度理想；1000℃热处理后试样的耐压强度随钢纤维的增加上下波动，在1.5%和3%时强度较差；1350℃热处理后试样的耐压强度随钢纤维的增加基本呈下降趋势，在1%、1.5%和2.5%时强度较佳；1500℃热处理后试样的耐压强度在钢纤维加入量为1%和2.5%时最佳。

  3. 随耐热钢纤维加入量的增加，1100℃水冷循环5次后试样的残余抗折强度基本保持逐渐增加趋势，在钢纤维加入量为3.0%时达到最大；试样残余耐压强度在钢纤维加入量为2.5%时达到最大。因此，可以认为在高纯度刚玉质浇注料中加入耐热钢纤维2.5%或3%时，其抗热震性能效果最好。