金属硅加入量达到这个比例时能增强出铁沟浇注料的使用性能
目前大型高炉出铁沟耐火材料通常应用的是Al203-SiC-C质浇注料，其具有良好的高温强度、抗冲刷性和抗渣铁侵蚀性，使用寿命较长。Al203-SiC-C质浇注料主要包含的原料有刚玉、碳化硅、碳素材料、结合剂和抗氧化剂等其它外加剂，较大粒径的刚玉、碳化硅等组成了材料的骨料，起到了骨架作用：较小粒径的其他原料则组成了材料的粉料。填充进入骨料的空隙;结合剂多为铝酸盐水泥，将各原料紧密结合。提高了浇注料强度;抗氧化剂多为金属硅粉或铝粉.其与其它外加剂一起用来改善浇注料的特定性能。
微米级粒径金属硅加入浇注料中后，能先于易氧化的碳素材料被氧化，形成稳定的金属氧化物和碳化物.防止碳素材料被氧化.从而使添加的碳素材料稳定的发挥出其应有的作用。增强浇注料的使用性能。一般金属硅在Al2O3-SiC-C浇注料中的加入量约在1%～3%之间。学者们已研究了金属硅加入量在该区间对浇注料部分性能的影响规律，但其加入量过多必将影响浇注料的高温强度、线变化及线膨胀系数，从而影响材料的热震稳定性及抗渣性等。
1.1原料选择
本实验制备Al203-SiC-C质铁沟浇注料的主要原料为棕刚玉颗粒(粒度为8-5、5-3、3-1、1-0mm)、97碳化硅颗粒(10mm)和细粉(≤0.044mm)、白刚玉粉(≤0.044mm)、硅微粉(≤0.074mm)、氧化铝微粉(5μm、2μm)、金属铝粉(≤0.074mm)、99金属硅(≤0.074mm)、炭黑(≤0.074mm)、70开封水泥、三聚磷酸钠和六偏磷酸钠。根据金属硅加入量的不同，4组试样的配比方案如表1所示。
表1试样配比
1.2试样制备
根据表1的配比进行配料，先将称量好的粗颗粒放入搅拌机中混合均匀。再称量其它粉料加入搅拌机干混2分钟，随后加入适量的水进行湿混。湿混均匀后，将搅拌机中的料加人放置在振动台上的40mmx40mmx160mm的三联模具内.经浇注振动成型后静置在空气中自然养护24h.随后将试样条脱模再静置于空气中24h养护后放入110℃的烘箱内干燥24h。然后将干燥后的试样条在1450℃下热处理3h，再自然冷却至室温。
1.3性能测试
依照国家相关标准，对处理好的试样条进行各物性参数的测定，包括干燥后和热处理后的体积密度、显气孔率、常温抗折强度、常温耐压强度以及烧后的线变化率、弹性模量、线膨胀系数和高温抗折强度。其中，线膨胀系数的测试方法是将试样加工成10mm~50mm的圆柱体放入高温膨胀仪中加热。测量材料长度随温度变化而变化的状况.表征材料的热膨胀性;高温抗折强度的测试方法是将干燥后的试样条放入1400℃的高温抗折强度测试仪中保温1h，并于该温度下直接测量抗折强度。
通过对Al2O3-SiC-C质浇注料的性能测定，并且从材料学的角度进行结果分析，研究金属硅含量(1.0%～1.9%)对Al2O3-SiC-C质浇注料性能的影响规律及其内在作用机理，优化和改进目前使用的Al2O3-SiC-C质浇注料。
2.1加水量
随着金属硅含量的增加，Al2O3-SiC-C质浇注料的加水量变化不大，但略微有所增加.图1显示出了这一变化规律。这是由于硅的水润湿性一般。随着金属硅添加的增多.每份试样的质量略有增加，浇注料的体积略微有所增大.制样时要达到相同的流动性则需要更多的水来分散原料。但金属硅增加量并不多。所以需增加的水也不多。
图1 金属硅加入量对试样加水量的影响
2.2体积密度和显气孔率
图2和图3为不同金属硅加入量对材料显气孔率和体积密度的影响。从图2可以看出，1450℃热处理后的显气孔率要明显大于110℃干燥后的显气孑L率，随着硅加入量的增加，110℃干燥后的显气气孔率先上升后下降，随后又上升，最大为8.36%，1450℃热处理后的趋势与110℃干燥后的类似，但其变化幅度相较而言非常小，均处于11.25%左右。110干燥后试样的体积密度则随金属硅加人量的变化规律与显气孔率基本呈相反的趋势，1450℃热处理后的体积密度则随金属硅的加入而降低，且总体上110℃干燥后的体积密度要大于1450℃热处理后的体积密度，示于图3。
图2金属硅加入量对试样显气孔率的影响
图3 金属硅加入量对试样体积密度的影响
由于金属硅的密度(2.3g/cm)比刚玉(3.8g/cm)低，加入到浇注料中后，在110℃干燥后同等体积下，减小了其体积密度，增大了气孔率;但随着硅加人量的增多，浇注料中的气孑L被金属硅大量填充，使得材料的气孔率减小，体积密度增大;但金属硅加入量过多后。硅在填充浇注料微小的气孔后仍有剩余，反而不利于材料的致密性，使得其体积密度减小。气孔率上升。而在1450℃热处理时，会有大量玻璃相的生成，冷却后，其固化阻塞住了表面的气孔，使得试样的显气孔率变化不明显：烧后比烧前体积密度小、气孔率大的原因是由于：高温下金属硅会被氧化成二氧化硅，再与Al2O3，反应生成莫来石，且Al2O3也会与水泥反应生成六铝酸钙，莫来石和六铝酸钙的生成会引起膨胀.导致材料体积密度的减小。且随着硅加入量的增多，莫来石的生成也会越多，体密度也就越小。
2.3抗折强度和耐压强度
处理后各试样的抗折强度和耐压强度变化趋势示于图4、图5。110℃干燥后试样的两种强度随金属硅加入量的增多.均呈先减小后增大再减小的趋势，基本与其体积密度变化规律相似。1450℃热处理后的试样强度则大致随硅的加入量而增大，且其强度基本都大于干燥后试样的强度。110℃干燥处理时，温度较低，浇注料内尚未发生各种复杂的相变。其强度主要与材料的致密程度相关，所以变化趋势跟体密度密切相关。
图4 金属硅加入量对试样抗折强度的影响
图5 金属硅加入量对试样耐压强度的影响
1450℃热处理时，浇注料内会发生一系列复杂的化学相变反应：
1)硅会导致莫来石的生成，常温下生成的莫来石晶体和晶须相互交错穿插，形成了较坚固的结构;
2)高温下。硅会与水泥等成分反应生成长石及玻璃相等低熔点物质，这些熔融物质能填充骨料和晶体间的空隙，在凝固后增强材料的常温强度：
3)硅作为抗氧化剂能优先于碳被氧化，使得未氧化的碳熔化后弥散分布在材料中。形成网状结构，为材料提供常温强度；
4)硅能起到助烧剂的作用，促进浇注料的烧结.提高其烧后强度。烧后浇注料中各材料的结合方式为陶瓷结合，该种结合方式强度较高。显然比110℃干燥后主要是水合结合的材料强度要高.且随着硅加入量从1.0%增加到1.9%.以上四点作用都会逐步增强，从而导致浇注料的抗折和耐压强度都有所提升。
2.4高温抗折强度
图6表示各试样的高温抗折强度测试结果，可以明显的看到，试样的高温抗折强度随金属硅加入量的增加而变强.在金属硅加入量为1.9%时达到最大值3.01MPa。高温抗折强度的变化规律与烧后常温抗折、耐压强度变化的规律类似，因为随着金属硅的加入，其在高温下将产生更多的莫来石晶相、碳网状结构等，都会使其高温强度增加。高温抗折测试时，操作温度为1400℃。材料中的玻璃相等低熔点相尚未完全凝固.所以浇注料的强度较烧后强度而言较低。
图6 金属硅加入量对试样高温抗折强度的影响
2.5弹性模量
由图7可以看出，随着金属硅含量的增加，1450℃热处理后试样的弹性模量不断增大，直至硅加入量为1.9%时达到最大值38.1GPa。弹性模量是用来表征物体受到应力时的应变程度，其值越大表示受到相同应力时越难发生形变，材料就越坚硬.所以试样的弹性模量和材料的强度密切相关。高温下产生的莫来石膨胀相量的不同会使材料内部的结构有所差异，导致弹性模量的改变：生成的玻璃相的粘滞作用也对材料的弹性模量有重要影响。
图7 金属硅加入量对试样弹性模量的影响
2.6线膨胀系数和线变化率
1450℃热处理后1试样和试样线膨胀系数的变化规律见图8。试样的线膨胀系数在各温度下均大于1试样.且两试样最低的线膨胀系数都出现在200℃时。两试样在200～700℃之间线膨胀系数随温度上升而增加，700～750℃区间出现短暂下降，随后，随温度上升，1试样线膨胀系数呈现波动趋势，最终变化不大，而4#试样线膨胀系数则整体呈上升趋势。试样膨胀系数变大的原因是因为浇注料中生成了引起膨胀的物相，如莫来石晶须、六铝酸钙等，且其生成量随温度的升高而增加。775℃附近试样线膨胀系数降低的主要原因可能是由于低熔点相的过度生成抵消了膨胀相的影响。线膨胀系数与试样的抗爆裂性密切相关.其值越小.受到热应力时产生的应变越小，材料炸裂和剥落的几率较小。
图8 1#和4#试样线膨胀系数随温度变化趋势
由图9可知各试样在进行1450℃热处理前后永久线变化率的变化情况。随金属硅加入量增加，试样的永久线变化率先减小后增大.在硅含量为1.6时达到最小值0.44%。永久线变化率都为正值，这说明试样在烧后体积膨胀，其原因是由于莫来石和六铝酸钙的生成引起的膨胀，在工业应用中应当予以充分的重视和考虑。
图9 金属硅加入量对试样变化率的影响
1)随着金属硅加入量的增加，110℃干燥后的显气孔率先上升后下降，随后又上升，体积密度的变化规律呈相反的趋势;1450℃热处理后显气孑L率的趋势与110℃干燥后的类似，但其变化幅度相较而言非常小，体积密度则随金属硅的加入而降低;
2)110℃干燥后试样的强度随金属硅加入量的增多，均呈先减小后增大再减小的趋势，基本与其体积密度变化规律相似：1450℃热处理后的试样强度则大致随金属硅的加入量而增大，且随着莫来石、玻璃相等的生成，其强度基本都大于110℃干燥后试样的强度；
3)试样在烧后因膨胀相的生成而引起材料膨胀，金属硅加入量为1.9%试样的线膨胀系数在各温度下均大于1.0%的试样；
4)根据Al2O3-SiC-C质铁沟浇注料的实际要求和使用工况，综合对金属硅加入量在1.0%～1.9%范围内时Al2O3-SiC-C质铁沟浇注料各方面物理性能的实验研究分析.当金属硅加入量为1.9%时，其具有最佳的使用性能。
参考资料
本文作者：
何可、程本军（中南大学能源科学与工程学院）
荣巍（无锡市泰沪高温材料有限公司）
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