鎂質(zhì)澆注料開裂的解決措施

1、鎂質(zhì)澆注料開裂的解決措施趙子龍陳 勇羅先進吳曉宋世峰濮陽濮耐高溫材料（集團）股份有限公司 河南 濮陽 457100摘 要 從分析鎂質(zhì)澆注料開裂原因入手，選取MgO-SiO2體系作為解決問題的基本方案，通過調(diào)整鎂質(zhì)澆注料的配比和改進生產(chǎn)工藝等措施，較好的解決了制品開裂問題。關鍵詞 鎂質(zhì)澆注料，鎂砂水化，硅微粉，金屬鋁粉，鎂質(zhì)預制件1 引言鎂質(zhì)耐火材料屬堿性耐火材料，具有耐火度高、荷重軟化溫度高等特點，且能夠吸收熔融鋼水和渣中Al2O3夾雜物，在其表面形成鎂鋁尖晶石，對堿性渣和鐵渣都有很好的抗侵蝕性，同時也具有凈化鋼水的作用。資料1表明，鎂質(zhì)耐火材料對鋼液的污染明顯低于高鋁質(zhì)耐火材料。然而鎂質(zhì)澆注

2、料的顯著缺點就是所使用的鎂砂易于水化，在生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)上漲、裂紋等現(xiàn)象，另外在快速烘烤過程中，容易產(chǎn)生很大的熱應力而造成熱震損傷，甚至發(fā)生爆裂現(xiàn)象，嚴重影響材料的高溫使用性能，從而限制了鎂質(zhì)澆注料的大規(guī)模使用。2 鎂質(zhì)澆注料體系的選取鎂質(zhì)澆注料在自然養(yǎng)護和干燥過程中，容易出現(xiàn)上漲、開裂等現(xiàn)象，這是由鎂砂水化引起的。鎂砂水化就是鎂砂中的MgO在常溫下與H2O發(fā)生溶解析出反應，同時伴隨很大的體積膨脹，促使鎂質(zhì)澆注料產(chǎn)生內(nèi)應力，最終導致裂紋的產(chǎn)生。采用高密度的大結(jié)晶鎂砂、通過添加有機物包裹鎂砂等方法，可以提高鎂砂的抗水化性能，然而在實際應用中，由于受產(chǎn)品價格和工藝等因素的制約，具體操作起來往往比

3、較困難。根據(jù)工藝的實際情況，并參考李楠2等人對鎂質(zhì)澆注料的研究：常溫下SiO2超微粉遇水后，其表面形成羥基，即Si-OH鍵，經(jīng)自然養(yǎng)護和干燥后，脫水架橋形成了硅氧烷網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。同時，由于其表面有大量未鍵合的O2-，而O2-很容易被吸附于MgO顆粒表面的Mg2離子上而形成鎂氧硅鏈，從而減少了與Mg2結(jié)合的OH一基團，與形成H-O-Mg-O-H及氫氧硅鏈相比，水分子減少了。每形成一個鎂氧硅鏈即可減少一個水分子。由于排出的水量減小，降低了鎂質(zhì)產(chǎn)品烘烤過程中開裂的可能性。同時由于MgO顆粒被鎂氧硅鏈互相連接起來，從而提高了產(chǎn)品的強度。最終選取SiO2超微粉作為鎂質(zhì)澆注料的結(jié)合劑進行具體的實驗分析。3 鎂

4、質(zhì)澆注料的配比優(yōu)化3.1 硅微粉加入量的選擇選據(jù)型成型3938823試驗用原料為95中檔鎂砂，挪威ELKEM公司生產(chǎn)的牌號為U920的二氧化硅微粉，其化學組成見表1。根據(jù)Andreasen方程MgO顆粒臨界粒徑選為8 mm，將級配不同的MgO顆粒和SiO2超微粉按照一定比例混合均勻，外加水控制在5.2%左右。將混好的泥料倒入40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)模中在常溫下振動成型，試樣自然養(yǎng)護24 h后脫模，再經(jīng)110 24 h烘干后，經(jīng)1 600 3 h進行熱處理。研究硅微粉加入量對鎂質(zhì)澆注料抗熱震性的影響。表1 原料的化學組成（w） %項目MgOSiO2Al2O3

5、Fe2O3CaO燒失量中檔鎂砂93.972.030.491.261.730.59硅微粉92.451.71抗熱震試驗是將爐溫升到1 100 保溫30 min，再將試樣放入爐內(nèi)，保證爐溫恒定30 min后，取出試樣采用高壓風進行快速風冷，確保20 min內(nèi)試樣表面溫度降至100 以下，如此循環(huán)5次，最后檢測試樣的熱震前抗折強度和熱震后抗折強度，計算抗折強度保持率，以抗折強度保持率來評價其抗熱震性。試樣熱震前后的抗折強度的變化見表2，硅微粉加入量對試樣抗熱震性的影響見圖1。由圖1可知，試樣的抗折強度保持率呈現(xiàn)先下降后上升隨后再下降的趨勢。當硅微粉加入量在4%時，試樣抗折強度的保持率最高。而試樣抗折強

6、度保持率越高，越有利于抵抗溫度的急劇變化。同時，因為鎂質(zhì)澆注料基質(zhì)為方鎂石和鎂橄欖石的復合結(jié)構(gòu)。當氧化硅微粉加入量超過4%時，鎂橄欖石結(jié)合相增多，方鎂石顆粒分散在其中，由于鎂橄欖石膨脹系數(shù)較小（方鎂石的膨脹系數(shù)為13.5×10-6 -1(201 000 )，鎂橄欖石的膨脹系數(shù)為12×10-6 -1(201 100 )），因此在溫度急劇變化的過程中產(chǎn)生的裂紋較少，強度降低較少。因此，硅微粉的加入量以4%為宜。表2 熱震試驗前后抗折強度變化w(硅微粉)/%12345試驗前抗折強度/MPa20.323.521.814.313.6試驗后抗折強度/MPa8.57.99.68.17.2

7、抗折強度保持率/%41.933.644.056.652.9注：試樣抗折強度保持率按下式計算Rr=Ra/Rb×100%式中 Rr抗折強度保持率，%；Ra試驗前抗折強度，MPa；Rb試驗后抗折強度，MPa。圖1 氧化硅微粉加入量對鎂質(zhì)澆注料抗熱震性的影響3.2金屬鋁粉加入量的選擇金屬鋁粉是鎂質(zhì)澆注料常用的防爆劑。常溫情況下，與水反應生成Al(OH)3凝膠并溢出H2。具體反應式如下：AlH2OAl(OH)3H2這是一個劇烈的放熱反應，物料快速脫水，促進SiO2超微粉凝聚結(jié)合的發(fā)展，從而提高其強度。同時又由于H2的溢出，使?jié)沧⒘蟽?nèi)部形成均勻的微小開口氣孔，有利于水分的順利排出3。將澆注料制成

8、50 mm×50 mm×50 mm的立方塊，在環(huán)境溫度20 左右自然養(yǎng)護24 h后脫模，然后放入800 保溫1 h后的電爐內(nèi)，30 min后取出，觀察樣塊的破裂情況。金屬鋁粉對澆注料抗爆裂性能的影響如表3所示，添加0.035%的金屬鋁粉時，澆注料具有良好的抗爆性能。表3 抗爆裂試驗結(jié)果w(金屬鋁粉)/00.010.020.030.0350.04抗爆裂性能× × ×× × ×× ××注： : 不爆裂; ×: 爆裂.鋁粉用量一旦過多，自然養(yǎng)護溫度偏高，鋁粉很快就會與水反應，生成大

9、量H2，如果H2不能及時排出，鎂質(zhì)預制件就很容易上漲，甚至出現(xiàn)大面積的裂紋。在保證排氣暢通和快干的前提下，應盡量少用。在實際生產(chǎn)過程中，通常還會添加少量的有機纖維(有機纖維在低溫階段很容易燒掉)，在預制件表面和內(nèi)部形成微小的開口氣孔，便于其內(nèi)部水汽順利排出。4 鎂質(zhì)澆注料的工藝優(yōu)化4.1工藝流程 原料破碎外加劑硅微粉外加水減水劑入庫攪 拌振動成型養(yǎng)護配料配料原料破碎燒成揀選圖2 鎂質(zhì)澆注料的工藝流程在保證配料準確、攪拌均勻以及振動到位的情況下，鎂質(zhì)預制件的自然養(yǎng)護和烘烤制度是影響最終使用性能的重要因素。4.2 自然養(yǎng)護的優(yōu)化生產(chǎn)車間對澆注料的自然養(yǎng)護是在密閉的保溫環(huán)境中進行的。車間對鎂質(zhì)澆注料

10、的養(yǎng)護溫度規(guī)定一直都是要求保證在2540 左右，養(yǎng)護時間在1224 h。由于以前的養(yǎng)護室不是密閉的，養(yǎng)護溫度受季節(jié)變化影響很大，對產(chǎn)品脫模也一直沒有明確的時間控制，都是依靠小錘敲擊或估計大概時間等來決定，導致產(chǎn)品的廢品率較高，并且造成生產(chǎn)進度受養(yǎng)護的制約比較明顯。經(jīng)過車間對養(yǎng)護室的技術改造，保證了養(yǎng)護溫度的恒定。在保證養(yǎng)護溫度不變的情況下，需要進一步明確鎂質(zhì)澆注料的養(yǎng)護時間，便于車間組織生產(chǎn)。隨后又經(jīng)過對養(yǎng)護時間、成型情況以及脫模效果等大量數(shù)據(jù)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)在保證養(yǎng)護溫度的前提下，鎂質(zhì)預制件養(yǎng)護68 h就可以達到足夠的強度，完全可以進行脫模，脫模時間的縮短大大提高了生產(chǎn)節(jié)奏。4.3 烘烤制

11、度的優(yōu)化鎂質(zhì)預制件脫模后，直接裝入高溫窯進行快速燒成處理。在優(yōu)化工藝之前，鎂質(zhì)預制件都是裝進烘干房進行烘干，烘干的最高溫度是150 ，烘干時間將近98 h，烘干后往往發(fā)現(xiàn)預制件產(chǎn)品出現(xiàn)不同程度的上漲或者裂紋，導致廢品率特別高。為了解決烘干廢品率高的問題，采取燒成工藝處理，燒成的最高溫度為600 ，燒成時間將近40 h，燒成后發(fā)現(xiàn)預制件產(chǎn)品表面光滑，強度較高，合格率達到95%以上。但是這樣一來，燒成時間太長，成本大幅度提高，車間生產(chǎn)節(jié)奏比較慢?；谇懊娴膯栴}，把燒成時間縮短，進行快速燒成處理。結(jié)果燒成處理后的鎂質(zhì)預制件產(chǎn)品同樣表面光滑，強度較高，合格率達到95%以上，不僅降低了裂紋的產(chǎn)生，也降低了生產(chǎn)成本、縮短了生產(chǎn)節(jié)奏，便于車間大規(guī)模生產(chǎn)應用。具體的燒成曲線如圖2：圖2 鎂質(zhì)預制件的燒成曲線5 結(jié)論(1)當SiO2超微粉加入量為4%時，鎂質(zhì)澆注料的施工性能最佳；金屬鋁粉的加入量為0.035%時，有利于澆注料中的水分暢通排出，有效的降低烘烤中裂紋的產(chǎn)生。(2)車間實際的生產(chǎn)工藝對鎂質(zhì)澆注料開裂有一定的影響。通過對車間養(yǎng)護溫度、養(yǎng)護時