Fe_2O_3微粉添加对MgO_CaO系耐火材料烧结性能及抗水化性能的影响

Fe_2O_3微粉添加对MgO_CaO系耐火材料烧结性能及抗水化性能的影响

第19卷第11期　

2009年11月　　

中国冶金ChinaMetallurgy

　Vol.19,No.11

November　2009

Fe2O3微粉添加对MgO2CaO系耐火材料烧结性能及

抗水化性能的影响

孙　勇1,　马北越1,　孙　朔1,　于景坤1,　刘翔鹏2

(1.东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳110004;2.吉林省冶金设计院有限责任公司,吉林长春130022)

摘　要:通过添加Fe2O3微粉的方法,研究了Fe2O3微粉对MgO2CaO系耐火材料烧结性能和抗水化性能的影响。试验结果表明,添加Fe2O3微粉可以有效地促进MgO2CaO系耐火材料的烧结,抑制其水化速度。当Fe2O3的添加量在0～3%时,随着Fe2O3添加量的增加,耐火材料试样的体积密度先增加后减小,显气孔率则先减小后增加,且两者均在Fe2O3为1%处出现极值。当Fe2O3的添加量在012%～015%的范围时,耐火材料试样的显气孔率和体积密度变化最明显。当Fe2O3添加量为1%时,将试样在温度为60℃、相对湿度为75%的条件下水化144h后,其粉化率仅为1146%。

关键词:MgO2CaO系耐火材料;烧结性能;抗水化;Fe2O3微粉

中图分类号:TU541　　文献标识码:A　　文章编号:100629356(2009)1120015204

EffectofFe2O3AdditiononPropertiesofHydrationResistanceof2CRSUNYong1,　MABei2yue1,1,2Xiang2peng2

(1.SchoolofMaterials,110004,Liaoning,China;

2.,Ltd.,Changchun130022,Jilin,China)

Abstract:Byfine2O3powder,theeffectoftheFe2O3additiononthepropertiesofsinteringandhydrationresistanceof2CaOrefractorieswasinvestigated.TheresultsshowedthatthesinteringpropertyoftheMgO2CaOrefractoriescouldbepromoteddramatically,andthehydrationoftheMgO2CaOrefractoriescouldbeinhibited.WhenincreasingtheFe2O3amountfrom0to3%,thebulkdensityoftheMgO2CaOrefractoriesincreasedfirstandthendecreased,theapparentporositygainedasharpdecreaseandthenincreasedbycontraries.Theybothhadex2tremevalueswhentheFe2O3additionwas1%.ThebulkdensityandapparentporositychangedobviouslywhentheFe2O3additionwasbetween0.2%and0.5%.ThechalkedratiooftheMgO2CaOsamplesaddedwith1%Fe2O3wasonly1.46%whenhydratedat60℃(relativemoisture75%)for144h.

Keywords:MgO2CaOrefractories;sinteringproperties;hydrationresistance;fineFe2O3powder

近年来,随着洁净钢冶炼技术的发展,耐火材料研究已经逐渐将其重点转向功能性耐火材料。功能性耐火材料不但要求其具有良好的抗渣渗透和侵蚀性能,同时还要求其具有净化钢水的作用。由于CaO具有很低的氧分压,在钢水中的溶解度极小,

为了提高MgO2CaO系耐火材料的抗水化性能,目前主要采取以下方法[5～8]:①利用耐水化物质包裹在材料的表面;②使CaO晶粒形成比较稳定的大颗粒;③将CaO转变成为耐水化性好的矿相;④提高材料的致密度,减少材料与水接触的机会。本研究采用添加Fe2O3微粉的方法,以促进MgO2CaO系耐火材料的烧结及晶粒长大,同时在CaO晶粒周围形成液相保护膜,以进一步提高其抗水化性能。

是一种可以有效避免钢水发生二次氧化的氧化物,另外与MgO共存时还具有良好的脱硫、脱磷作用。因此,研究开发MgO2CaO系耐火材料对于洁净钢、不锈钢以及合金钢等高级钢种的冶炼具有重要意义。然而,由于MgO2CaO系耐火材料中游离的CaO容易水化,会使耐火材料产生龟裂和脱落等现

1　试验

1.1　试验用原料

象,给生产和使用带来了很大困难[1～4]。本试验采用工业竖窑烧制的白云石为主要原

作者简介:孙　勇(19812),男,博士生;　　E2mail:neusy1981@;　　修订日期:2009204220

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料,该原料(质量分数)中的CaO和MgO之和大于99%,其中w(MgO)/w(CaO)为4。添加剂为Fe2O3微粉(>99%),粒度小于5μm。1.2　试验过程

将上述原料粉碎并研磨至80μm以下,然后分别添加质量分数为0、0.2%、015%、1%和3%的Fe2O3微粉,在球磨罐中干混24h后,置于干燥箱中在120℃下干燥12h。将干燥后的原料以200MPa的压力压制成直径为50mm,高度约为15mm

的试样。将试样置于MoSi2电阻炉内,并以8℃/min的升温速率加热至1000℃,再以5℃/min的升温速率加热至1600℃,保温4h后炉冷。对烧成后的耐火材料试样,测量其显气孔率、体积密度和抗水化性能。抗水化性能的测试方法是将烧成的试样置于温度为60℃,相对湿度为75%的恒温恒湿箱内保持144h,然后用式(1)计算出试样的粉化率并作为评价耐火材料抗水化性能的指标。

θ=(m0-m1)/m0×(1)100%

θ式中,

值越小,。

2　结果与讨论

2.1　Fe2O3微粉对耐火材料烧结和抗水化性能的

影响

图1示出了Fe2O3微粉对MgO2CaO系耐火材料试样体积密度和显气孔率的影响。由图1可见,Fe2O3微粉对耐火材料的体积密度和显气孔率具有显著影响。当Fe2O3添加量在0～3%时,随着Fe2O3的增加,体积密度先增加后减小,显气孔率则先减小后增加,两者均在Fe2O3为1%处出现极值。当Fe2O3的添加量在012%～015%的范围内变化时,试样的显气孔率和体积密度的变化最明显。当Fe2O3微粉的添加量大于1%时,其添加量对试样

2.2　物相组成及显微结构

图3示出了添加1%Fe2O3微粉的MgO2CaO系耐火材料试样在1600℃下烧结4h后的X射线衍射分析结果。由图3可见,添加的Fe2O3与试样中的CaO组分反应生成了2CaO Fe2O3。由于

),可以在晶粒表2CaO Fe2O3的熔点较低(1438℃

面形成液相保护膜,促进MgO和CaO晶粒长大,从

而形成网络结构。图4示出了添加1%Fe2O3微粉的MgO2CaO系耐火材料试样烧结后的扫描电镜照片。通过能谱分析可知照片中的白色物质是2CaO Fe2O3,其包裹在CaO和MgO晶粒周围,减少

的显气孔率和体积密度的影响作用减小。

图2示出了Fe2O3微粉对MgO2CaO系耐火材料抗水化性能的影响。耐火材料试样的粉化率的变化趋势和显气孔率的变化趋势基本一致。表明随着Fe2O3微粉添加量的增加,其抗水化效果显著提高,

并且在添加量为1%时效果最好,其粉化率仅为1146%。因此,通过添加Fe2O3微粉可以显著提高MgO2CaO系耐火材料的抗水化性能

。

了H2O与其接触的机会,提高了材料的抗水化性能。2.3　Fe2O3微粉的作用机理分析

由图1和图2可知,通过添加Fe2O3微粉,可以明显提高MgO2CaO系耐火材料的烧结性能和抗水

Fe_2O_3微粉添加对MgO_CaO系耐火材料烧结性能及抗水化性能的影响

第11期孙　勇等:Fe2O3微粉添加对MgO2CaO

系耐火材料烧结性能及抗水化性能的影响

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CaO系材料的烧结起到重要的作用,而液相结构又

取决于其组成和所含阳离子和阳离子的相互作用能

的大小[10]。阴阳离子间的相互作用能E,可以按式(4)近似计算。

E=

2

e

n(r1+r2)

(4)

式中,Z1和Z2为阳离子与氧离子电价;r1和r2为阳离子与氧离子半径;e为电子基本电量;n为氧离子配位数。只有当加入的阳离子与氧离子的E/e2处于某一范围内,才有利于烧结。对于MgO,添加物的E/e2在0.4～017能有效的促进MgO的烧结;对于CaO,添加物的E/e2在015～110能有效地促进CaO的烧结。将相关数据带入式(4)并计算可以得出Fe2O3的E/e2值为0152,因此添加Fe2O3微粉可以有效地促进MgO2CaO系耐火材料的烧结。但是Fe2O3的加入量多,通过CaO2Fe2[9的增加,液相量

Fe2O3和23,导致MgO2CaO系耐火材料

,严重影响其抗侵蚀性能和高温强度

。

化性能。

MgO2CaO系耐火材料在其烧结过程中,MgO和CaO晶格内存在VO2-、VCa2+和VMg2+空位,这些空位可与添加剂中的阳离子缔合形成复合体。复合体的扩散活化能比单独离子的低,扩散相对容易进行。当VCa2+和VMg2+分别与Fe3+接触时,生成VMg2+-Fe2O3或VCa2+-Fe2O3复合体,如式(2)和(3)所示。当它们与扩散来的VO2-接触时,复合体放出VMg2+或VCa2+并与VO2-生成双空位。上述过程如此反复,促进质量传递从而促进烧结。

(2)Fe2O3+CaO=2FeCa+V”Ca+OO

(3)Fe2O3+MgO=2FeMg+V”Mg+OO

由图5可见,随着烧结温度的升高,MgO2CaO系材料中的CaO组分会与Fe2O3反应,生成一系列的CaO2Fe2O3系化合物,其中2CaO Fe2O3的熔

[9]

点仅为1438℃。液相的生成及其结构对MgO2

图5　CaO2Fe2O3系相图

Fig.5　PhasediagramforCaO2Fe2O3system

3　结论

(1)当Fe2O3在0～3%时,随着Fe2O3的增

加,体积密度先增加再减小,显气孔率则先减小后增

加,两者均在Fe2O3为1%处出现极值。当Fe2O3在012%～015%的范围时,试样的显气孔率和体积密度变化最明显。

(2)Fe2O3微粉和CaO反应生成2CaO Fe2O3液相,促进了MgO2CaO系耐火材料的烧结,其包裹在CaO和MgO晶粒周围,减少了H2O与其接触的机会,提高了材料的抗水化性能。

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18中国冶金第19卷

neticsofLime[J].ISIJInternational,1997,37(5):468.

(3)当Fe2O3添加量为1%时,在温度为60℃、

相对湿度为75%的条件下,经144h水化后,其粉化率仅为1.46%。

参考文献:

[1]　CHENM,WANGN,YUJK,etal.EffectofPorosityon

CarbonationandHydrationResistanceofCaOMaterials[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety,2007,27(4):1953.[2]　夏　熠,周宁生,张三华.精炼钢包用MgO2CaO浇注料的抗渣

[5]　王龙光,李红霞,徐延庆,等.不同条件下白云石耐火材料抗侵

蚀性的研究[J].耐火材料,2006,40(6):410.

[6]　赵三团,王　威,徐　俊.CaO耐火材料的抗水化研究进展

[J].耐火材料,2005,39(5):364.

[7]　YepremHA.EffectofIronOxideAdditionontheHydration

ResistanceandBulkDensityofDoloma[J].JournaloftheEu2ropeanCeramicSociety,2007,27(123):1651.

[8]　柯昌明,李　楠.MgO2CaO2TiO2系材料的烧结性能及抗水化

性研究[J].中国冶金,2006,16(2):30.

[3]　罗　明,李　楠,郑海忠,等.外加剂白云石烧结及抗水化性的

性能[J].耐火材料,2005,39(1):36.

[9]　陈肇友.化学热力学与耐火材料[M].北京:冶金工业出版社,

2005.

[10]　饶东生.硅酸盐物理化学[M].北京:冶金工业出版社,1980.

影响[J].耐火材料,2001,35(1):14.

[4]　MacielcamachoA,HillsAWD,MoralesRD,etal.HydrationKi2

“全国冶金节水与废水利用技术研讨会”在石家庄成功召开

由中国金属学会、中国脱盐协会(筹)、联合主办的“全国冶金节水与废水利用技术研讨会”于2009年9月8日-9月11日在石家庄召开。题是“:开源节流并举———、、节水。70多家企业和单位200多名代表参加了本次会议。中国金属学会副秘书长兼书记毛素英、中国脱盐协会(筹)秘书长郭有智出席会议并会上做了讲话。

中国金属学会副秘书长兼书记毛素英致会议开幕词:她对到会领导、专家和钢铁界同仁表示热烈欢迎。她说,中国是个水资源短缺和水污染形势十分严峻的国家。中国淡水资源仅为世界人均1/4(2200m3),水资源的严重缺乏己成为制约国民经济发展的瓶颈。“十一五”期间节能减排工作任务艰巨,国家规划纲要明确的重要量化目标包括单位工业增加值用水量降低30%,国务院发布的国家节能减排综合性工作方案又再次强调到2010年单位工业增加值用水量降低30%。钢铁工业一定要坚持科学可持续发展,一定要避免与当地人民正常生活争水源的情况,杜绝由于钢铁企业生产过程产生的废水污染饮用水源和耕地土壤。钢铁工业节水工作仍要不断加强管理,同时应在节水技术的不断创新实践与发展。另外,如何开源,使有更多的新水为钢铁企业服务,现在已成为日益重要的新课题。特别是海水淡化问题应引起沿海钢厂的注意。过去海水淡化成本高,不能大量供应工业和城市用水。这次

,,法国敦刻尔克钢,吨钢取新水量不到2m3/t,大家应当关注它的发展。

中国金属学会副秘书长兼书记毛素英最后强调:钢铁工业的持续高速发展是必然的、长期的,中国水资源短缺和水环境污染仍然是“十一五”期间钢铁工业发展一个重要制约因素,钢铁行业节水任务仍十分艰巨,钢铁工业的节水工作的核心是提高用水效率和效益,要与钢铁企业的节能减排和循环经济紧密结合。应当认识到:作为第一钢铁生产大国也有责任担负起建设绿色环保型钢铁企业的重任。

另外,会议还安排了钢铁协会及宝钢、首钢等7家钢铁企业作了大会发言、19位节水与废水处理技术单位和研究院所专家学者作了报告交流。

会议不仅吸引了来自全国各地的钢铁企业环保、水处理部门的代表,同时也吸引了不少国内外水处理技术设备企业。同时,在河北钢铁集团大力支持协助下,会议还安排代表到邯郸钢铁公司进行节水技术的现场参观。

此次研讨会的召开,将为中国钢铁企业之间交流节水技术、促进企业吨钢耗水平的提升起到桥梁和纽带作用,对帮助我们总结经验、拓宽视野、掌握国际最新信息、促进技术进步产生积极影响。

(本刊讯)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/cr0m.html