2-25(濮耐 赵子龙)镁质浇注料开裂的解决措施 张子英.doc

镁质浇注料开裂的解决措施赵子龙陈 勇罗先进吴晓宋世峰（濮阳濮耐高温材料（集团）股份有限公司 ，河南 濮阳 457100）摘 要 从分析镁质浇注料开裂原因入手，选取MgO-SiO2体系作为解决问题的基本方案，通过调整镁质浇注料的配比和改进生产工艺等措施，较好的解决了制品开裂问题。关键词 镁质浇注料，；镁砂水化，；硅微粉；，金属铝粉，；镁质预制件1 引言镁质MgO-SiO2系统耐火材料属碱性耐火材料，具有耐火度高、荷重软化温度高等特点，且能够吸收熔融钢水和渣中Al2O3夹杂物，在其表面形成镁铝尖晶石，对碱性渣和铁渣都有很好的抗侵蚀性，同时也具有净化钢水的作用。资料1表明，镁质耐火材料对钢液的污染明显低于高铝质耐火材料。然而镁质浇注料的显著缺点就是所使用的镁砂易于水化，在生产过程中容易出现上涨、裂纹等现象，另外在快速烘烤过程中，容易产生很大的热应力而造成热震损伤，甚至发生爆裂现象，严重影响材料的高温使用性能，从而限制了镁质浇注料的大规模使用。2 镁质浇注料体系的选取镁质浇注料在自然养护和干燥过程中，容易出现上涨、开裂等现象，这是由于镁砂水化引起的。镁砂水化就是镁砂中的MgO在常温下与H2O发生溶解析出反应，同时伴随很大的体积膨胀，促使镁质浇注料产生内应力，最终导致裂纹的产生。采用高密度的大结晶镁砂、通过添加有机物包裹镁砂等方法，可以提高镁砂的抗水化性能，然而在实际应用中，由于受产品价格和工艺等因素的制约，具体操作起来往往比较困难。根据工艺的实际情况，并参考李楠2等人对镁质浇注料的研究：常温下SiO2超微粉遇水后，其表面形成羟基，即Si-OH键，经自然养护和干燥后，脱水架桥形成了硅氧烷网络结构。同时，由于其表面有大量未键合的O2-，而O2-，它们很容易被吸附于MgO颗粒表面的Mg2离子上而形成镁氧硅链，从而减少了与Mg2结合的OH一基团，。与同分别形成H-O-Mg-O-H及氢氧硅链相比，水分子减少了。每形成一个镁氧硅链即可减少一个水分子。由于排出的水量减小，降低了镁质产品烘烤过程中开裂的可能性。同时由于MgO颗粒被镁氧硅链互相连接起来，从而提高了产品的强度。最终选取SiO2超微粉作为镁质浇注料的结合剂进行具体的实验分析。3 镁质浇注料的配比优化3.1 硅微粉加入量的选择选据型成型3938823试验用原料为95中档镁砂，挪威ELKEM公司生产的牌号为U920的二氧化硅微粉，其化学组成成分见表1。根据Andreasen方程MgO颗粒临界粒径选为8 mm，将级配不同的MgO颗粒和SiO2超微粉按照一定比例混合均匀，外加水控制在5.2%左右。将混好的泥料倒入40 mm40 mm160 mm的三联模中在常温下振动成型，试样自然养护24 h后脱模，再经110 24 h烘干后，经1 600 3 h进行热处理。其中加水量控制在5.2%左右，研究硅微粉加入量对镁质浇注料抗热震稳定性的影响。表1 原料的化学组成成分（wt%） %项目MgOSiO2Al2O3Fe2O3CaO烧失量中档镁砂93.972.030.491.261.730.59硅微粉92.451.71抗热震试验是试样自然养护24h后脱模，经11024h烘干后，在1600进行热处理3h，然后进行抗热震稳定性试验。将炉温升到1 100 保温30 min，再将试样放入炉内，保证炉温恒定30 min后，取出试样采用高压风进行快速风冷，确保20 min内试样表面温度降至100 以下，。如此循环5次，最后检测试样的热震前抗折强度。和热震后抗折强度，计算抗折强度保持率，以抗折强度保持率来评价其抗热震性。试样热震前后的抗折强度的变化见表2，硅微粉加入量对试样抗热震性的影响见图1。由图1可知，表2 热震试验前后抗折强度变化硅微粉含量（%）12345试验前抗折强度（MPa）20.323.521.814.313.6试验后抗折强度（MPa）8.57.99.68.17.2抗折强度保持率（%）41.933.644.056.652.9注：试样抗折强度保持率按下式计算Rr=Ra/Rb100%式中 Rr抗折强度保持率，%； Ra试验前抗折强度，MPa； Rb试验后抗折强度，MPa。图1 氧化硅微粉加入量对镁质浇注料热震稳定性的影响由图1可知，试样的抗折强度保持率呈现先下降后上升随后再下降的趋势。当硅微粉加入量在4%时，试样抗折强度的保持率最高。而试样抗折强度保持率越高，越有利于抵抗温度的急剧变化。同时，因为镁质浇注料基质为方镁石和镁橄榄石的复合结构，方镁石的膨胀系数为13.510-6/(201000)，镁橄榄石的膨胀系数为1210-6/(201100)。当氧化硅微粉加入量超过4%时，镁橄榄石结合相增多，方镁石颗粒分散在其中，由于镁橄榄石膨胀系数较小（方镁石的膨胀系数为13.510-6 -1(201 000 )，镁橄榄石的膨胀系数为1210-6 -1(201 100 )），因此在温度急剧变化的过程中产生的裂纹较少，强度降低较少。因此，硅微粉的加入量以4%为宜。表2 热震试验前后抗折强度变化w(硅微粉)/%12345试验前抗折强度/MPa20.323.521.814.313.6试验后抗折强度/MPa8.57.99.68.17.2抗折强度保持率/%41.933.644.056.652.9注：试样抗折强度保持率按下式计算Rr=Ra/Rb100%式中 Rr抗折强度保持率，%；Ra试验前抗折强度，MPa；Rb试验后抗折强度，MPa。图1 氧化硅微粉加入量对镁质浇注料抗热震性的影响3.2金属铝粉加入量的选择金属铝粉是镁质浇注料常用的防爆剂。常温情况下，与水反应生成Al(OH)3凝胶并溢出H2。具体反应式如下：AlH2OAl(OH)3H2这是一个剧烈的放热反应，物料快速脱水，促进SiO2超微粉凝聚结合的发展，从而提高其强度。同时又由于H2的溢出，使浇注料内部形成均匀的微小开口气孔，有利于水分的顺利排出3。将浇注料制成50 mm50 mm50 mm的立方块，在环境温度20 左右自然养护1d24 h后脱模，然后放入800 保温1 h后的电炉内，30 min后取出，观察样块的破裂情况。金属铝粉对浇注料抗爆裂性能的影响如表3所示，添加0.035%的金属铝粉时，浇注料具有良好的抗爆性能。表3 抗爆裂试验结果w(金属铝粉)加入量/00.010.020.030.0350.04抗爆裂性能金属铝粉 注： : 不爆裂; : 爆裂.铝粉用量一旦过多，自然养护温度偏高，铝粉很快就会与水反应，生成大量H2，如果H2不能及时排出，镁质预制件就很容易上涨，甚至出现大面积的裂纹。在保证排气畅通和快干的前提下，应尽量少用。在实际生产过程中，通常还会添加少量的有机纤维(有机纤维在低温阶段很容易烧掉)，在预制件表面和内部形成微小的开口气孔，便于其内部水汽气顺利排出。4 镁质浇注料的工艺优化4.1工艺流程 原料破碎外加剂硅微粉外加水减水剂入库搅 拌振动成型养护配料配料原料破碎烧成拣选图2 镁质浇注料的工艺流程在保证配料准确、搅拌均匀以及振动到位的情况下，镁质预制件的自然养护和烘烤制度是影响最终使用性能的重要因素。4.2 自然养护的优化生产车间对浇注料的自然养护是在密闭的保温环境中进行的。车间对镁质浇注料的养护温度规定一直都是要求保证在25-40 左右，养护时间在12-24 h之间。由于以前的养护室不是密闭的，养护温度受季节变化影响很大，对产品脱模也一直没有明确的时间控制，都是依靠小锤敲击或估计大概时间等来决定，导致产品的废品率较高，并且造成生产进度受养护的制约比较明显。经过车间对养护室的技术改造，保证了养护温度的恒定。在保证养护温度不变的情况下，需要进一步明确镁质浇注料的养护时间，便于车间组织生产。随后又经过对养护时间、成型情况以及脱模效果等大量数据进行对比分析，发现在保证养护温度的前提下，镁质预制件养护6-8 h就可以达到足够的强度，完全可以进行脱模，脱模时间的缩短大大提高了生产节奏。4.3 烘烤制度的优化镁质预制件脱模后，直接装入高温窑进行快速烧成处理。在优化工艺之前，镁质预制件都是装进烘干房进行烘干，烘干的最高温度是150 ，烘干时间将近98 h，烘干后往往发现预制件产品出现不同程度的上涨或者裂纹，导致废品率特别高。为了解决烘干废品率高的问题，采取烧成工艺处理，烧成的最高温度为600 ，烧成时间将近40 h，烧成后发现预制件产品表面光滑，强度较高，合格率达到95%以上。但是这样一来，烧成时间太长，成本大幅度提高，车间生产节奏比较慢。基于前面的问题，把烧成时间缩短，进行快速烧成处理。结果烧成处理后的镁质预制件产品同样表面光滑，强度较高，合格率达到95%以上，不仅降低了裂纹的产生，也降低了生产成本、缩短了生产节奏，便于车间大规模生产应用。具体的烧成曲线如图2：图2 镁质预制件的烧成曲线5 结论(1)当SiO2超微粉加入量为4%时，镁质浇注料的施工性能最佳；金属铝粉的加入量为0.035%时，有利于浇注料中的水分畅通排出，有效的降低烘烤中裂纹的产生。(2)车间实际的生产工艺对镁质浇注料开裂有一定的影响。通过对车间养护温度、养护时间以及烘烤制度的优化，也能够有效的降低裂纹的产生。参考文献1 江弘.超细粉结