添加劑含量對(duì)坯體冷等靜壓成型和性能的影響

丁準(zhǔn)達(dá)

（無錫市南方耐火材料有限公司，宜興214223）

0 引言

鋼廠連鑄生產(chǎn)過程中，高爐鋁碳制品是高爐內(nèi)襯更新?lián)Q代的良好材料，其性能優(yōu)于高爐內(nèi)襯傳統(tǒng)耐火材料，與氮化硅結(jié)合碳化硅磚的性能相似，成本卻降低較多。因此，鋁碳質(zhì)耐材問世以來，已在高爐上得到了應(yīng)用，并獲得良好的使用效果。但是制成的燒成Al2O3-C制品硬度大，加工磨平困難。本研究就是利用冷等靜壓成型的坯體強(qiáng)度大、密度高且均勻，可以成型長(zhǎng)徑比大，型狀復(fù)雜的制品，尤其可以實(shí)現(xiàn)近、凈尺寸成型的優(yōu)點(diǎn)，可直接達(dá)到客戶要求的尺寸，同進(jìn)研究了混合細(xì)粉造粒時(shí)加入聚乙烯醇（PVA）粘結(jié)劑，提高了坯體強(qiáng)度。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 粉料準(zhǔn)備

以電熔剛玉、鱗片石墨、Si粉、SiC、超微粉剛玉料、石墨粉及添加劑按一定比例混勻磨制成＜0.092mm混合細(xì)粉。

1.2 造粒機(jī)制成假顆粒

⑴在水分含量對(duì)混合細(xì)粉成型性及坯體性能影響實(shí)驗(yàn)中，、將混合細(xì)粉和濃度為5wt%的聚乙烯醇（PVA）水溶液以85：15的質(zhì)量比混勻，控制殘余含水量至實(shí)驗(yàn)要求值。

⑵在粘結(jié)劑含量對(duì)混合細(xì)粉成型性及坯體質(zhì)量的影響實(shí)驗(yàn)中，將混合細(xì)粉和聚乙烯醇（PVA）水溶液分別 95：5、90：10、85：15、80：20、75：25 的質(zhì)量比混勻。 由造粒機(jī)制成假顆粒粉料。

1.3 振動(dòng)裝料

將假顆粒粉料和酚醛樹脂結(jié)合劑混勻，填入模具、振動(dòng)（振動(dòng)頻率為29Hz，振動(dòng)時(shí)間110s）。測(cè)量粉料填充高度h，由公式（1）計(jì)算出粉料的填充密度ρ。

式中，ρ 為粉料的填充密度 （g.cm-3）；m 為粉料質(zhì)量（g）；d為模具內(nèi)徑(cm)；h為粉料填充高度(cm)

1.4 坯體壓制

采用冷等靜壓進(jìn)行坯體壓制，其中壓制參數(shù)為：最高壓力為 200MPa，保壓時(shí)間為20s。設(shè)備為L(zhǎng)DJ-200/100-300型等靜壓機(jī)。

1.5 坯體抗彎強(qiáng)度測(cè)試

采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)試坯體的抗彎強(qiáng)度，設(shè)備為電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)（SANS CMT4304）。其中彎曲強(qiáng)度由公式（2）計(jì)算：

式中，P為最大負(fù)荷 （N）；L為跨距 （mm）；d0為斷面直徑（mm）。

1.6 坯體形貌分析

（1）采用日本日立公司生產(chǎn)的S-4700型掃描電子顯微鏡，觀察坯體的顯微形貌。

（2）采用SONY PB型數(shù)碼相機(jī)觀察坯體的宏觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)合劑含量對(duì)粉料成型性的影響

將準(zhǔn)備好的不同結(jié)合劑含量的粉料，進(jìn)行振動(dòng)裝料，測(cè)其填充密度得到粉料結(jié)合劑含量與填充密度的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 結(jié)合劑含量與粉料填充密度的關(guān)系

由圖1可以看出，當(dāng)振動(dòng)頻率為29Hz，振動(dòng)時(shí)間為110s時(shí)，結(jié)合劑含量對(duì)粉料填充密度有著很大影響，隨著結(jié)合劑的增加，粉料填充密度明顯降低。當(dāng)結(jié)合劑含量增加到＞7.5%時(shí)，粉料填充密度從0.68g.cm-3降到0.48g.cm-3，降低幅度約為29%這是因?yàn)榻Y(jié)合劑含量大，毛細(xì)管力增大，粉料容易產(chǎn)生二次團(tuán)聚，導(dǎo)致粉料流動(dòng)性變差，振動(dòng)裝料時(shí)不能有效地破壞顆粒堆積時(shí)產(chǎn)生的拱橋現(xiàn)象，顆粒不易進(jìn)行重排，顆粒間的空氣不能有效排出，使得顆粒間的孔隙不能得到有效填充，從而導(dǎo)致結(jié)合劑含量大時(shí)，粉料填充密度小且填充不均勻.，當(dāng)結(jié)合劑含量在6.5wt%～7.5wt%時(shí)，粉料填充密度較大，成型性較好。

2.2 假顆粒粉料粘結(jié)劑含量對(duì)坯體強(qiáng)度的影響

將粘結(jié)劑（聚乙烯醇）含量不同的假顆粒粉料，進(jìn)行振動(dòng)裝料，壓制成型后三點(diǎn)彎曲測(cè)試，得到坯體強(qiáng)度與聚乙烯醇含量的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖1 聚乙烯醇含量與坯體抗彎強(qiáng)度的關(guān)系

由圖2可以看出，當(dāng)加入的聚乙烯醇溶液含量從5wt%增加到15wt%時(shí)，坯體的強(qiáng)度從0.45MPa增加到1.82MPa，而且坯體的強(qiáng)度隨聚乙烯醇含量增加而增加。當(dāng)加入的聚乙烯醇溶液含量從15wt%增加到25wt%時(shí)，坯體的強(qiáng)度有減小的趨勢(shì)。這需要從有機(jī)高分子粘結(jié)劑的增強(qiáng)機(jī)理去解釋。有機(jī)高分子粘結(jié)劑的增強(qiáng)機(jī)理包括有機(jī)高分子鏈增強(qiáng)和氫鍵增強(qiáng)

⑴有機(jī)高分子鏈增強(qiáng)

在沒有添加粘結(jié)劑時(shí)，耐材坯體顆粒之間的結(jié)合力包括分子之間的范德華力、顆粒間由于吸附水分產(chǎn)生的毛細(xì)管力和顆粒表面不平滑引起的機(jī)械糾纏力。當(dāng)加入了有機(jī)高分子材料后，吸附在顆粒表面上的有機(jī)高分子，在顆粒表面形成一層均勻的薄膜，這種薄膜在壓制過程中起到潤(rùn)滑作用，減少了粉料顆粒之間以及粉料與模壁之間的摩擦，增加了顆粒之間的粘合作用，提高了坯體的致密度和強(qiáng)度。而且有機(jī)高分子材料通常為鏈狀結(jié)構(gòu)，具有足夠鏈長(zhǎng)的高分子聚合物可在耐材顆粒之間搭橋，產(chǎn)生交聯(lián)作用而形成不規(guī)則網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將坯料顆粒緊緊包裹，阻止顆粒在受力條件下產(chǎn)生位移，起到了纖維增強(qiáng)坯體的類似作用，從而對(duì)坯體產(chǎn)生增強(qiáng)作用。

⑵氫鍵增強(qiáng)

當(dāng)高分子粘結(jié)劑存在時(shí)，顆粒表面被高分子材料包裹，使顆粒之間借助于有機(jī)分子材料而產(chǎn)生氫鍵作用。因此當(dāng)高分子粘結(jié)劑存在時(shí)，顆粒之間除了有范德華力、毛細(xì)管力、機(jī)械糾纏力的作用外，顆粒之間還存在由于有機(jī)高分子而產(chǎn)生的氫鍵作用，從而大大增強(qiáng)了坯體強(qiáng)度。如果高分子粘結(jié)劑加入量太大，顆粒之間的距離將會(huì)大大加大，反而降低了毛細(xì)管力，從而使強(qiáng)度下降。

由以上機(jī)理，即可以解釋聚乙烯醇含量對(duì)混合粉料坯體強(qiáng)度的影響。當(dāng)濃度為5wt%的聚乙烯醇溶液的加入量≤15 wt%時(shí)，聚乙烯醇長(zhǎng)鏈起主要作用，起到了類似纖維增強(qiáng)坯體的作用，隨著聚乙烯醇溶液加入量的增加，坯體強(qiáng)度增加。當(dāng)聚乙烯醇溶液的加入量≥15wt%時(shí)，隨著聚乙烯醇量的增加，包裹在顆粒外層的聚乙烯醇厚度增大，顆粒之間的距離加大，降低了毛細(xì)管力，從而使強(qiáng)度下降。此外隨著聚乙烯醇量的增大，造粒得到的顆粒團(tuán)聚體強(qiáng)度增大，當(dāng)聚乙烯醇的加入量≥15wt%時(shí)，壓制的坯體中含有末被壓碎的殘余顆粒團(tuán)聚體，使坯體存在較大的缺陷，從而使坯體強(qiáng)度降低。又由于粘結(jié)劑含量高，燒結(jié)后耐材的氣孔率增加，因此在保證坯體強(qiáng)度的前提下粘結(jié)劑含量越少越好，所以確定粘結(jié)劑含量為15wt%。

3 結(jié)論

⑴鋼廠連鑄過程中，鋼水與耐火材料接觸，鋼水中Fe、Mn及其氧化物與耐火材料發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生低溶點(diǎn)化合物，導(dǎo)致耐材制品迅速損壞。因此，對(duì)于連鑄系統(tǒng)澆注時(shí)間長(zhǎng)、溫度高等極其荷刻條件下的耐火制品必須改進(jìn)工藝，降低成本，提高其耐侵蝕性和強(qiáng)度。

⑵有的耐材制品為達(dá)到用戶需要的尺寸，要在產(chǎn)品燒成后或燒成前用機(jī)器加工磨削，既增加成本，其粉塵又污染環(huán)境，如果采用等靜壓成型可以解決這一問題。

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