辛炉用材料
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—１６３９．２０１
１．０６．０１８
《工业加热》第４０卷２０１１年第６期
高温烧结炉用堇青石一莫来石耐火砖结合剂研究
石秋强１，白建光２，王利花１
（１．西安电炉研究所有限公司，陕西西安７１００６１；２．西安交通大学金属强度国家重点实验室，陕西西安７１００４９）摘要：采用反应烧结法制备了高温烧结炉用堇青石一莫来石耐火砖，研究了不同结合剂对耐火砖组织结构和性能的影响。结果发现，与黏土结合剂在烧结过程巾有大鼍莫来石相生成相比，堇青石质结合剂在烧结过程中有大量新生相堇青石生成，热膨胀系数和抗折强度普遍较低。气孔率和热震稳定性较高，随着堇青石质结合剂含母的增加，热膨胀系数逐渐减小，气孔率和试样经１１００℃室温水冷３次后的强度保持率呈现出先增加后减少的趋势，当添加鼍质量分数达到２２．５％时，强度保持率最高，为６５．８９％。关键词：堇青石一莫来石耐火砖；堇青石生料；黏±；热震稳定性中图分类号：ＴＱｌ７５．７１
Ｓｔｕｄｙ
ｏｎ
文献标志码：Ａ文章编号：１００２－１６３９（２０１１）０６－００５７－０３
ＢｉｎｄｅｒｓｏｆＣｏｒｄｉｅｒｉｔｅ－ｍｕｌｌｉｔｅＲｅｆｒａｃｔｏｒｙＢｒｉｃｋｓｆｏｒＨｉｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＳｉｎｔｅｒｉｎｇＦｕｒｎａｃｅ
ＳＨＩＱｉｕ－ｑｉａｎ９１，ＢＡＩＪｉａｎ—ｇｕａｎｇｚ，ＷＡＮＧＬｉ－ｈｕａｌ
（１．Ｘｉ’ａｌｌＥｌｅｃｔｒｉｃＦｕｒｎａｃｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｘｉ’ａｎ７１００６ｉ，Ｃｈｉｎａ；
２．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＭｅｃｈａｎｉｃａｌＢｅｈａｖｉｏｒｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｘｉ’ａｌｌＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｌｌ７１００４９，Ｃｈｍａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：１１１ｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｂｉｎｄｅｒｓ
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２２．５％，
ｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｔＩｌｅｆｌｅｘｕｒａｌｓｔｒｅｎｇｔｈａｆｔｅｒｌｍｕｌｌｉｔｅｒｅｆｒａｃｔｏｒｙｂｒｉｃｋｓｉｓｓｕｐｅｒｉｏｒ．
１００℃～ｗａｔｅｒ（３ｔｉｍｅｓ）ｉＳａｔ６５．８９％，ａｎｄｔｈｅｔｌｌｅｒｌｎａｌ
ｓｈｏｃｋｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｃｏｒｄｉｅｒｉｔｅ—
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｒｄｉｅｒｉｔｅ．ｍｕｌｌｉｔｅｆｉｒｅｂｒｉｃｋｓ：ｔｈｅｍｉｘｔｕｒｅｏｆｏｘｉｄｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ；ｃｌａｙ；ｔｈｅｒｍａｌｓｈｏｃｋｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ
堇青石一莫来石耐火砖具有良好的高温力学性能、荷重软化温度、耐火度和热震稳定性［１－－４１，在工业中有着很广泛的应用，例如窑具材料，烧结炉用耐火砖，炉墙内衬等。关于堇青石一莫来石耐火砖的制备与应用研究较多，采用的原料也各不同‘５］ｃ６】９Ｊｏ，其中大多以天然原料为主，但由于天然原料杂质含量高，耐火制品的使用性能受到影响，因而后续研究则使用合成原料进行产品开发，例如采用按照堇青石摩尔比的氧化物反应烧结法制备堇
分别为堇青石生料混合物和黏土。其中，堇青石生料混合物是氧化铝微粉、镁砂和石英按照堇青石分子摩尔比配比而成的，各原料的化学组成及配料见表ｌ和表２。
表１原料化学组成
原料
％
ｗ（Ｓｉ０２）ｗ（Ａ１２０３）ｗ（ＭｇＯ）ｗ（Ｒ２０）ｗ（Ｆｅ２０３）纯度
青石一莫来石耐火材料，或者采用生成莫来石相结合的方
法制备耐火材料，但对于二者的对比研究则较少，本文分别以堇青石生料和黏土为结合剂，分析了结合剂种类与添加量对烧结制品的组织结构和性能的影响，为堇青石一莫来石耐火材料的工业生产和使用提供参考。
表２堇青石一莫来石耐火砖中各成分的质量分数
％
原料弋丌］币『＿丽ｒ百万一１翥竖鼍Ｔ＿１互—酉厂ｔｒ弋亨
筝堇青石生料１５．０
黏土氟
堇青石莫来石
１７．５
２０
２２．５２５．０
１５．０
１７．５
２０．０２２，５２５．０６０．０５７．５５５．０２０．０２０．０２０．０
６５．０６２．５６０．０５７．５５５．０２０．０２０．０２０．０
２０．０２０．０
６５．０６２．５２０．０２０．０
ｌ实验
１．１原料和配方
实验主要原料为合成堇青石和合成莫来石，结合剂
１．２试样的制备
按表２的配方准确称量各种原料，装入聚氨脂球磨罐中，干磨２４ｈ，出磨后在１１０℃保温２４ｈ烘干，加入
收稿日期：２０１１－０５—２６；修回日期：２０１１—０８—２６
作者简介：石秋强（１９８２～），男，陕西宝鸡人，助理工程师，硕
士，主要从事大型炼钢电弧炉、钢包精炼炉的设计研究
工作．
５％的聚乙烯醇的水溶液造粒。半干压成型，试样尺寸为
５ｍｍ×５ｍｍ×４５
ｍｍ，成型压力为１３０ＭＰａ。试样烘干
后在硅钼棒电炉中烧成，烧成温度为ｌ３８０℃，保温时间
５７
万方数据
为４ｈ，采用随炉降温冷却方式。２．２性能测试
１．３性能测试
２．２．１体积密度与气孔率
密度采用阿基米德排水法测量；弯曲强度采用三点图２和图３分别为气孔率和体积密度随不同结合剂法测量，按照国标ＧＢ／Ｔ１４３９０－２００８执行，加载速度为
含量变化的关系图。由图２可以看出，以黏土为结合剂１
Ｎ・Ｓ－１；采用高温卧式膨胀仪测定了各试样从室温到
的烧结试样气孔率低于以堇青石生料为结合剂的烧结试９００℃的平均线性热膨胀系数，标样为石英标样，升温速样。对于以黏土作为结合剂的烧结试样，气孔率变化不率为１０℃・ｍｉｎ叫；将试样在１１００℃下保温２０ｍｉｎ，迅
是很大；而对于以堇青石生料混合物作为结合剂的烧结速取出并投入水中急冷，烘干后再放入１１００℃的炉中保试样，气孔率随着结合剂含量的增加呈现出现增加后略
温２０ｍｉｎ，迅速取出并投入水中急冷，如此反复３次后
有减小的趋势，当生料混合物质量分数为２０％时，气孔
测定其抗折强度，以热震后的抗折强度保持率（即热震
率达到最大值，为３６．７６％。以黏土作为结合剂的烧结试后抗折强度＋热震前抗折强度×１００％）来表征其热震稳样在烧结过程中有新生相莫来石的生成【６】２０。２１，因而，与定性。用扫描电子显微镜对烧结试样进行组织形貌观察堇青石生料结合剂试样相比，黏土结合剂试样的烧结收分析。
缩率小、体积密度大、气孔率低。
２实验结果与讨论
４０
２．１组织形貌观察分析
３５
誉３０
图１为分别加入２０％堇青石生料混合物或黏土时烧结制品的断面组织形貌图。从图１（ａ）可以看出，Ｍ３烧器
结试样中堇青石的晶形呈柱状，各个堇青石柱状组织互１５
相穿插，交错叠加生长，在晶体矿物学里称“文象互生”１ｑ
或“燧石结握；ｃ，’结构，每个柱状组织表面有少量黏附物
存在。从图１（ｂ）可以看出，ｃ３烧结试样中存在大量玻图２气孑Ｌ率随结合剂质量分数变化关系图
璃相。Ｍ３、Ｃ３烧结试样均存在大量气孔，但孔径大小及
２．４
形状有所差别。采取堇青石生料为结合剂时，在烧结制Ｉ吕２．２
备堇青石一莫来石耐火砖过程中，原生堇青石晶粒呈柱
７
２．０
状长大趋势如图１（ａ）所示，新生堇青石相部分沉积在
黄１．８
原生柱状晶粒表面（图１（ａ）中柱状组织表面的黏附物），糖１．６
促使了原生堇青石晶粒的长大和交织黏结作用［６】３¨１，提
鸵
ｌ
高了堇青石一莫来石耐火砖的致密度，降低了烧结过程
中试样的体积收缩。黏土的主要成分是高岭土，高岭土图３体积密度随结合剂质量分数变化关系图
在加热时，发生一系列高温反应，一般高岭土分解形成偏高岭石，偏高岭石分解形成无定形的Ａ１２０３和ｓｉ０２，无
２．２．２热膨胀系数
定形Ａ１２０３结晶形成产Ａ１２０３，ｐ枷２０３再与无形的Ｓｉ０２的反
图４为热膨胀系数随不同结合剂质量分数变化的关应生成莫来石，富余的无定形的Ｓｉ０２转变为方石英［７１。由系图。由图４可以看出，黏土结合剂试样热膨胀系数高这个过程可以看出，莫来石是在新形成的无定形Ｓｉ０２基于堇青石生料结合剂试样，其中，堇青石生料结合剂烧体上生成。当温度升高到１２００℃左右，莫来石形成阶段结试样热膨胀系数随结合剂的增加而减小，而黏土结合基本完成，高于Ｉ２００℃，主要是莫来石晶体的长大过剂烧结试样热膨胀系数随结合剂增加而增大。由图５和程。因而，采用黏土为结合剂时，将有利于试样力学性以上分析可知，堇青石生料结合剂烧结试样中有新生堇能的改善。
青石相生成，而黏土结合剂烧结试样中有新生莫来石和方石英相生成。堇青石热膨胀系数（哑）小，远远低于莫来石和方石英。根据Ｔｕｒｎｅｒ公式
口ｋ＝∑（ａ，ｋ，ｗ／ｐ∥∑（ｋ，ｗ／ｐｒ）
（１）
式中：ａｉ为第湘的热膨胀系数，Ｋ－１；岛为体积模量，Ｐａ；
Ⅵ为质量分数，％；Ｐｆ为密度，ｋｇ／ｍ３。
以黏土结合剂烧结试样热膨胀系数大于堇青石生料
（ａ）Ｍ３烧结试样
（ｂ）ｃ３烧结试样
结合剂烧结试样，并且随着堇青石生料添加量的增加，热图ｌ烧结制品显微结构图
膨胀系数减小，而随着黏土添加量的增加，热膨胀系数
５８
万方数据
带炉用材料
增大。
２
籁
＿Ｉｌ｛５
毯渣《
图４热膨胀系数随结合剂质量分数变化关系图
２．２．３抗折强度
图５为抗折强度随不同结合剂质量分数变化的关系图。由图５可以看出，黏土结合剂烧结试样抗折强度高于堇青石生料结合剂烧结试样，并且随着结合剂含量的增加，各自呈现出不同的变化趋势，其中，黏土结合剂烧结试样抗折强度随着结合剂的增加先增大后减少，而堇青石生料结合剂烧结试样抗折强度随结合剂含量变化
不大。莫来石力学性能好，方石英热膨胀系数大，并且
在降温过程中存在体积变化，由于黏土结合剂的烧结试样中莫来石相的生成，与堇青石生料结合剂烧结试样相比，其抗折强度高、气孔率低（如图２所示）。根据断裂强度讳与气孑Ｌ率尸ａ的关系式【８１：６ｆ＝６０ｅｘｐ（一，ｚＰａ），以为常数，一般为４～７，蠡为没有气孔时的强度，气孔率增大，材料抗折强度降低，因而黏土结合剂的烧结试样气孑Ｌ率低是其力学强度高的一个主要原因之一，当然方石英相随温度变化的相变体积效应，籽对材料抗折强度有一定影响作用。
结合剂质量分数／％
图５抗折强度随结合剂质量分数变化关系图
２．２．４热震稳定性
图６为烧结试样经ｌ１００℃室温水冷３次后的抗折强度保持率随不同结合剂质量分数变化的关系图。从图６可以看出，与黏土结合剂烧结试样相比，堇青石生料结合剂烧结试样经１１００℃室温水冷３次后的抗折强度保持率较高，热震稳定性好；随着堇青石生料含量的增加，复相陶瓷经ｌ１００℃室温水冷３次后的抗折强度保持率呈上升趋势，当生料质量分数达到２２．５％时，强度保持率最高，为６５．８９％，此时复相陶瓷的热震稳定性最好，随着生料含量继续增加，强度保持率突然下降。对于黏土结合剂烧结试样，强度保持率随着黏土含量的增加而下降，当黏土质量分数到达２５％时，强度保持率最低，为５７．２５％，
万方数据
《工业加热》第４０卷２０１１年第６期
此时热震稳定性最差。对于堇青石一莫来石耐火砖来说，热震稳定性是决定其寿命最关键的参数，由于在使用过程中会受到频繁的热冲击，因而热震稳定性的好坏直接决定了复相陶瓷使用寿命的长短。从产生热应力的角度考虑，根据公式
ｒ＝ＥａＡＴ
式中：ｒ为由于温度变化产生的热应力，Ｎ；Ｅ为弹性模
量，Ｐａ；ａ为热膨胀系数，删州℃；△功材料受急冷急热
时内部温差，℃。
提高材料热震稳定性，应降低材料热膨胀系数、弹性模量和提高热导率等；一旦材料主要成分确定，提高材料的热震稳定性就要从缓冲和抵抗热应力的角度去考虑，例如采用多相复合，改善材料中颗粒配比和气孔形状及分布，提高断裂能都可以提高材料热震稳定性【引。一方面，微裂纹可以吸收弹性应变能，提高材料的断裂表面能；另一方面，微裂纹对降低材料的弹性模量也有贡献，即可以降低材料弹性模量，而这些都对改善材料的热震稳定性有利。与堇青石生料结合剂烧结试样有堇青石生成相比，黏土结合剂烧结试样中有莫来石和方石英相生成，且莫来石和方石英相热膨胀系数远大于堇青石，根据图４和Ｔｕｒｎｅｒ公式可知，堇青石生料结合剂烧结试样热震稳定性优于黏土结合剂烧结试样。根据Ｈａｓｓｅｌｍａｎ的抗热冲击损伤理论【ｌ０］可知，在材质基本确定的前提下，材料热震稳定性随气孑Ｌ率的增大而增强。由图２可知，堇青石生料结合剂试样气孑Ｌ率大于黏土结合剂试样，进一步解释了堇青石生料结合剂烧结试样热震稳定性优于黏土结合剂烧结试样的原因。
图６抗折强度保持率随结合剂质量分数变化关系图
（１）采用黏土作为结合剂时，试样烧结过程中有大（２）堇青石生料结合剂烧结试样热膨胀系数和抗折（３）与黏土结合剂烧结试样相比，堇青石生料结合
５９
３结论
量莫来石生成，而采用堇青石生料作为结合剂时，试样烧结过程中有大量新生相堇青石生成，堇青石新生相的生成，一方面促进了原有堇青石相的长大，同时与原有堇青石相形成交织结构。
强度低于黏土结合剂烧结试样，气孔率则高于后者，并且随堇青石生料含量的增加热膨胀系数减小，而后者热膨胀系数随生料含量的增加而增大。
ＩＸ）Ｉ：１０．３９６９０．ｉｓｓｎ．１００２・１６３９．２０１１．０６．０１９
炼钢厂钢包散热及节能研究
付中华
（中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆４０００１３）
摘要：以某钢厂盛满钢水的１２０ｔ钢包为研究对象．通过对钢包从转炉出钢至连铸的运输过程的散热研究，重点对钢包包壁、包底和钢渣上表面各面的散热量进行了计算，得出钢包各面的散热量分布比例为钢渣上表面散热量约占７０％一８０％，包壁约占２０％，包底散热＜５％，并且钢包在运输过程中热能损失较大，由此提出炼钢厂钢包运输过程中节能的建议及措施。关键词：炼钢厂；钢包；散热量分布；节能中图分类号：ＴＦ３４１．９文献标志码：Ａ
文章编号：１００２－１６３９（２０１１）０６—００６０—０３
ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈ
ｏｎ
ｔｈｅＨｅａｔＤｉｓｓｉｐａｔｉｏｎａｎｄＥｎｅｒｇｙＳａｖｉｎｇｏｆＬａｄｌｅａｔｔｈｅＳｔｅｅｌｍａｋｉｎｇＦａｃｔｏｒｙ
ＦＵＺｈｏｎｇ－ｈｕａ
（ＣＩＳＤ
ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ
４０００１３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｎｅ
ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｈｅａｔｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｉＳｓｔｕｄｉｅｄｆｏｒ１２０ｔｌａｄｌｅｗｉｔｈｆｕｎｏｆｓｔｅｅｌｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆＢＯＦｔａｐｐｉｎｇｔｏｅｏｎｔｉｎＵＯＵＳｃａｓｔｉｎｇ．Ｔｈｅｈｅａｔｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｗａｓｍａｉｎｌｙｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｉｎｔｈｅｗａｌｌ．ｂｏＲｏｍｏｆｔＩｌｅｌａｄｉｅａｎｄｔｏｐｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｓｌａｇ，ｗｈｉｃｈｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｄｉｓ－ｔｒｉｂｕｔｉｏｎｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｗａｓａｔ７０％－８０％ｏｎｔｈｅｔｏｐｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｓｌａｇ．ａｂｏｕｔａｔ２０％ｏｎｔｈｅｗａｌｌｏｆｔｈｅＩａｄｌｅ，ｌｅＳＳｔｈａｎ５％ｉｎｔｈｅｂｏａｏｍｏｆｔｈｅ
ｌａｄｌｅ．Ｍｕｃｈ
ｅｎｅ恻ｉＳｌｏｓｔｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｔｅｅｌｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，ＳＯｔｈｅａｄｖｉｃｅｓａｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｏｆｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇ
ａｒｅ
ｐｒｏｖｉｄｅｄｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓ
ｏｆｌａｄｌｅｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎａｔｔｈｅｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇｆａｃｔｏｒｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇｆａｃｔｏｒｙ；ｌａｄｌｅ；ｈｅａｔｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇ
在炼钢厂，钢包作为盛装和运送钢水的容器，钢包从转炉出钢至连铸的运送过程均处于散热状态，损失大量能量，如图１ｌｌＪ所示。钢包中钢水温降是由钢水在钢包中的停留时间及钢水的温降速率两部分组成。其停留时间与转炉冶炼周期、精炼时间、连铸的浇铸周期及运输过程的调度等因素有关，而钢包温降速率与钢包周转情况，钢包侵蚀情况，钢包结构等因素有关。在这个过程中钢包的运送时间长短、钢包自身的保温效果，将直接影响钢包热量的损失，这对后续的连铸浇铸的钢水温度的控制是不利的，因此，研究分析钢包及其散热行为是非常必要的。
收稿日期：２０１１－０７－１ｌ：修回日期：２０１ｌ一０８一Ｏｌ
作者简介：付中华（１９８２一），男，江西樟树人，博士，工程师，主
要从事炼钢方面研发及设计工作．
图１钢包循环示意图
；孓努碴黔努选昂芬弛器零零零零零零零零零芬弛≯弛孓努弛黔芬域黜零若啦潞；皋努境融分臻薄黎零零瘁；芦芬毪爵苕电薄容边薄芬弛薄芬边薄岔迎Ｓ
剂烧结试样经１１００℃室温水冷３次后的强度保持率较高，热震稳定性较好，随着堇青石生料含量的增加，强度保持率呈先上升后减少的趋势，当生料质量分数达到２２．５％时，强度保持率最高，为６５．８９％，此时，复相陶瓷热震稳定性最好。
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ｌｎｉｔｉａｔｉｏｎａｎｄＣｒａｃｋＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎｉｎＢｒｉｔｔｌｅＣｅｒａｍ
Ｃｅｒａｍｉｃｓ［Ｊ】，ＪＡｍ
Ｓｏｃ，１９６９，５２（１１）：６００．６０４．
万方数据
高温烧结炉用堇青石一莫来石耐火砖结合剂研究
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
石秋强， 白建光， 王利花， SHI Qiu-qiang， BAI Jian-guang， WANG Li-hua
石秋强,王利花,SHI Qiu-qiang,WANG Li-hua(西安电炉研究所有限公司,陕西西安,710061)， 白建光,BAI Jian-guang(西安交通大学金属强度国家重点实验室,陕西西安,710049)工业加热
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