Порошок диоксида кремния, благодаря малому размеру частиц и высокой активности, широко используется в различных монолитных огнеупорных изделиях. Однако из-за различий в происхождении порошка диоксида кремния его качество сильно варьируется, особенно в огнеупорных литьевых смесях, где его свойства существенно изменяются. На металлургическом заводе в обычно производимом промежуточном ковше высокоглиноземистого литьевого материала внезапно снизилась текучесть, что затруднило строительство и серьезно повлияло на его эксплуатационные характеристики. В результате ретроспективного исследования производственного процесса было обнаружено, что проблема возникла из-за использования разных партий порошка диоксида кремния.
Высокоглиноземистые литьевые смеси
Влияние кремнеземного порошка на высокоглиноземистые литьевые смеси
Для более глубокого понимания влияния различного качества кремнеземного порошка на высокоглиноземистые литьевые смеси были проведены эксперименты с использованием кремнеземного порошка различного качества (с разным содержанием углерода) в одинаковых условиях для изучения удобоукладываемости высокоглиноземистых литьевых смесей. Результаты показали, что при содержании углерода в кремнеземном порошке более 1% (по массе) текучесть высокоглиноземистых литьевых смесей ухудшалась, и они не соответствовали требованиям к удобоукладываемости. Одновременно были пересмотрены критерии приемки для исходного кремнеземного порошка. К первоначальным критериям приемки было добавлено требование к содержанию углерода для обеспечения качества высокоглиноземистых литьевых изделий.
Экспериментальное сырье. Кремнеземный порошок является в основном побочным продуктом, образующимся в процессе производства на заводах по производству ферросилициевых сплавов и металлических кремниевых заводов. Благодаря большой удельной поверхности и высокой активности он широко используется в огнеупорных материалах и бетоне, значительно улучшая характеристики и прочность материалов. В данном эксперименте в качестве основного материала был выбран 90%-ный порошок диоксида кремния с различным содержанием углерода для изучения его влияния на удобоукладываемость высокоглиноземистых литьевых смесей в одинаковых условиях.
Основная функция порошка диоксида кремния в высокоглиноземистых литьевых смесях заключается в заполнении мельчайших пустот в смеси благодаря мелкодисперсному размеру частиц, что улучшает плотность и коррозионную стойкость смеси. Гидратация порошка диоксида кремния приводит к образованию коллоидной структуры с электростатическим отталкиванием, что может уменьшить адсорбцию и гелеобразование между частицами, тем самым обеспечивая водоредуцирующий эффект. Другими основными сырьевыми материалами в этом эксперименте были: бурый плавленый оксид алюминия, белый плавленый оксид алюминия, порошок плавленой магнезии и порошок оксида алюминия. Их химический состав описан ниже. Бурый плавленый оксид алюминия в основном выступает в качестве каркаса в высокоглиноземистой литьевой смеси. Порошок оксида алюминия реагирует с плавленой магнезией при высоких температурах, образуя магниево-алюминиевую шпинель, которая спекается и заполняет зазоры между заполнителями в смеси, обеспечивая тем самым высокую плотность и коррозионную стойкость.
Экспериментальная процедура
Экспериментальная рецептура. В качестве базовой пропорции смеси использовалась производственная рецептура огнеупорного литьевого материала для постоянного слоя разливочного ковша, используемого на металлургическом заводе, а в качестве объекта исследования для определения текучести использовался кремнеземный порошок с различным содержанием углерода.
При применении огнеупорных литьевых материалов количество добавляемой воды напрямую влияет на их характеристики. Если количество добавляемой воды слишком велико, в процессе промежуточного спекания в литьевом материале останется большое количество пор, что приведет к увеличению кажущейся пористости и снижению стойкости к шлаковой эрозии. Если количество добавляемой воды недостаточно, текучесть будет низкой, что приведет к плохому вибрационному уплотнению, неоднородности и срокам укладки, а также повлияет на высокотемпературную прочность и стойкость к шлаковой эрозии литьевого материала.
Измерение текучести. Значение текучести литьевого материала напрямую отражает его эксплуатационные характеристики. В настоящее время широко используемые методы «скачкового стола» и «времени вибрации» европейского стандарта PRE имеют свои недостатки и дефекты. Таким образом, в эксперименте был разработан метод определения текучести усеченного конуса. Конкретная процедура следующая: поместите полую форму из нержавеющей стали (усеченный конус с верхним диаметром 100 мм, нижним диаметром 200 мм и высотой 300 мм) на гладкую, чистую и ровную пластину из нержавеющей стали с выгравированными концентрическими окружностями. Затем залейте в форму смешанный и уплотненный огнеупор. После заполнения формы огнеупором соскребите излишки, выходящие за ее пределы, и осторожно поднимите форму вертикально. Одновременно включите вибрационное устройство и вибрируйте в течение 10 секунд, затем остановите. После прекращения текучести огнеупора измерьте его средний диаметр растекания.
Результаты и анализ
Результаты измерения текучести высокоглиноземистых литьевых смесей с различным содержанием углерода в кремнеземном порошке.
В одинаковых условиях, по мере постепенного увеличения содержания углерода в кремнеземном порошке (A~D), средний диаметр укладки высокоглиноземистой литьевой смеси постепенно уменьшается, а ее текучесть ухудшается. На основе практического опыта производства установлено, что при среднем диаметре укладки менее 400 мм литьевая смесь испытывает трудности при укладке и значительное снижение эксплуатационных характеристик. Поэтому рекомендуется, чтобы содержание углерода в кремнеземном порошке высокоглиноземистого литьевого сырья не превышало 1% (по массе). Считается, что причиной снижения текучести при укладке является то, что, хотя углерод не участвует в реакции гидратации в литьевой смеси, его собственный поверхностный заряд нарушает баланс электростатического отталкивания на поверхности коллоидных частиц, образующихся после гидратации кремнеземного порошка, что приводит к усилению адсорбции и агрегации между частицами и снижению текучести. Более того, это явление становится более выраженным с увеличением содержания углерода в кремнеземном порошке. Когда уровень содержания углерода достигает определенного значения, это напрямую приводит к невозможности нормального изготовления высокоглиноземистых литьевых смесей.
Промышленное применение
Было проведено сравнение применения высокоглиноземистых литьевых смесей C, изготовленных с использованием кремнеземного порошка с более высоким содержанием углерода (1,98%), и высокоглиноземистых литьевых смесей A, изготовленных с использованием кремнеземного порошка с более низким содержанием углерода (0,65%), в постоянном слое разливочного ковша сталелитейного завода.
С точки зрения промышленного применения, литьевая смесь C (с более высоким содержанием углерода в кремнеземном порошке) показала худшую удобоукладываемость и более короткий срок службы по сравнению с литьевой смесью A (с относительно более низким содержанием углерода в кремнеземном порошке), не удовлетворяя требованиям сталелитейного завода, предусматривающим более 600 плавок. Это наглядно демонстрирует, что содержание углерода в кремнеземном порошке напрямую влияет на практическое применение высокоглиноземистых литьевых смесей.
Заключение
(1) В качестве связующей матрицы в огнеупорных высокоглиноземистых литьевых смесях повышенное содержание углерода в кремнеземном порошке приводит к снижению текучести и уменьшению водоредуцирующего эффекта.
(2) Для обеспечения хорошей удобоукладываемости и эксплуатационных характеристик огнеупорных высокоглиноземистых литьевых смесей рекомендуется, чтобы содержание углерода в используемом кремнеземном порошке не превышало 1% (по массе).
