成型方向?qū)gO-C質(zhì)耐火材料性能的影響

戴晨晨，聶波華，陶春蘭，徐曉辰，盧 楊，張靜玉

(1.營口理工學院材料科學與工程系，營口 115014；2.遼寧富城耐火材料(集團)有限公司，營口 115103)

0 引 言

鎂碳磚是一種以MgO和C為主要成分的碳復合耐火材料，被廣泛用作煉鋼轉(zhuǎn)爐、電爐、鋼包等窯爐工作層材料[1-2]。作為工作襯，鎂碳磚被填充在爐殼內(nèi)部，直接與高溫鋼水接觸[3-4]。因其具有優(yōu)良的耐高溫、抗熱震穩(wěn)定性、耐鋼渣侵蝕性[5-6]，可大幅度提高煉鋼窯爐的使用壽命和安全性能，為推動鋼鐵行業(yè)技術(shù)進步發(fā)揮重要作用[7-9]。因此，諸多耐火材料學者對鎂碳磚性能開展大量研究工作，并取得了豐碩的成果。

圖1 楔形磚形狀示意圖Fig.1 Schematic diagram of wedge-shaped brick shape

煉鋼窯爐工作層大多為輻射形環(huán)狀砌體，由鎂碳磚以楔形磚的形式砌筑而成，如轉(zhuǎn)爐爐底、爐身，鋼包包壁、渣線[10]，電弧爐熔池、渣線、爐墻等部位。楔形磚[11]形狀示意圖如圖1所示，是至少兩個面為等腰梯形的六面體。等腰梯形的兩底邊長俗稱大小頭尺寸，大小頭尺寸差稱為稍度。如圖1中的楔形磚大小頭尺寸分別為a大、a小，其稍度為a大-a小。

按外觀和供貨狀態(tài)來劃分，鎂碳磚屬于定型制品，其生產(chǎn)工藝過程包括成型環(huán)節(jié)。鎂碳磚的成型方法一般為半干法[12]，通常選用摩擦壓磚機、液壓壓磚機和等靜壓壓磚機等成型設(shè)備。根據(jù)成型方向的選取差異，楔形鎂碳磚分為平打平砌磚和側(cè)打平砌磚兩種。當鎂碳磚的成型方向平行于砌筑層高方向時，大小頭尺寸為模具的寬度尺寸，此時，它的稍度為模具兩側(cè)側(cè)板稍度之和，稱為平打平砌磚；當成型方向垂直于砌筑層高方向時，大小頭尺寸為磚坯的厚度尺寸，稍度為模具上下底板稍度之和，稱為側(cè)打平砌磚。

如果采用側(cè)打平砌法成型，對同一長度、同一砌筑層高尺寸、不同稍度的鎂碳磚，只需要將底蓋板設(shè)計成不同尺寸即可生產(chǎn)，相對于平打平砌磚而言，它具備模具成本低、組織生產(chǎn)便捷和更換模具快等優(yōu)點，因此它受到鎂碳磚生產(chǎn)廠家的青睞。但是，在使用過程中發(fā)現(xiàn)以下幾點疑問，側(cè)打平砌磚常常表現(xiàn)出在爐役中后期抗侵蝕能力快速下降的缺點，造成這一現(xiàn)象的原因是否與成型方向有關(guān)，以及側(cè)打平砌法成型加壓面為斜面，是否對鎂碳磚磚坯的性能指標產(chǎn)生影響,針對上述問題的研究，在行業(yè)內(nèi)還未見相關(guān)報導。而這事關(guān)產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性和爐役壽命，鑒于此，本文分別選用由平打平砌法和側(cè)打平砌法生產(chǎn)的相同配方、相同磚型尺寸的鎂碳磚為研究對象，探討不同成型方向?qū)︽V碳磚性能影響的規(guī)律，為生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 實 驗

1.1 原料及試驗方案

試驗采用97級電熔鎂砂和-195鱗片狀石墨為主要原料，以熱固性酚醛樹脂為結(jié)合劑，添加Al粉和Si粉為抗氧化劑，在1 300 t摩擦壓磚機上，采用相同的加壓制度，分別以平打平砌法和側(cè)打平砌法兩種方式生產(chǎn)同一形狀尺寸的磚坯，經(jīng)180 ℃×20 h干燥處理后，按照規(guī)定的取樣方法取樣，進行性能檢測。原料化學組成見表1和表2，鎂碳磚試樣配比見表3。

表1 主要原料化學組成Table 1 Chemical composition of main raw materials /%

表2 樹脂和石墨的化學成分Table 2 Chemical composition of resin and graphite

表3 鎂碳磚配比Table 3 Formula for magnesia-carbon bricks /%

1.2 試樣制備及性能檢測

按照表3比例配料后，經(jīng)高速混煉機混合均勻，在1 300 t摩擦壓磚機上采用相同的加壓制度成型，試驗磚型及數(shù)量見表4。

表4 試驗磚型編號及數(shù)量Table 4 Type number and quantity of test bricks

磚坯成型后經(jīng)180 ℃×20 h干燥處理得到成品，并根據(jù)試驗檢測項目進行試樣制備，方法如下:

(1)常溫耐壓強度(CCS)、體積密度(BD)及顯氣孔率(AP)

取試樣磚各1塊，按照圖2所示方法切取試樣，從小頭到大頭依次編號N1～N7、B1～B7。其中N1～N7用于檢測CCS，B1～B7用于檢測BD及AP。如C1N1，表示C1試驗磚依小頭到大頭的順序切取的第一塊試樣，用于檢測CCS。CCS、BD及AP檢測分別按照GB/T 5072.2、GB/T 2997執(zhí)行。

(2)高溫抗折強度(HMOR)

取試樣磚各1塊，按照圖3所示方法切取試樣，從小頭到大頭依次編號G1～G7，用于檢測HMOR。如C1G1，表示C1試驗磚依小頭到大頭的順序切取的第一塊試樣，用于檢測HMOR。HMOR檢測按照GB/T 3002方法進行，檢測條件為埋碳氣氛下，1 400 ℃×0.5 h。

圖2 試樣切取方法示意圖Ⅰ
Fig.2 Schematic diagram of sample preparation Ⅰ

圖3 試樣切取方法示意圖Ⅱ
Fig.3 Schematic diagram of sample preparation Ⅱ

2 結(jié)果與討論

2.1 成型方向?qū)︽V碳磚體積密度及顯氣孔率的影響

圖4、圖5示出了從平打平砌磚(P1、P2)和側(cè)打平砌磚(C1、C2、C3)小頭到大頭，依次切取的各試樣的體積密度和顯氣孔率檢測結(jié)果。從圖中可以看出，當平打平砌時，成型方向和砌筑層高方向一致，此時壓制面為平面，鎂碳磚的BD及AP從小頭到大頭基本不變。如P1的BD和AP平均值分別為3.02 g/cm3和2.24%，最大偏差分別為0.23%和2.61%，考慮試驗誤差，可認為P1的BD和AP變化很小。當側(cè)打平砌時，成型方向和砌筑層高方向垂直，此時壓制面為斜面，隨著試樣切取位置從小頭到大頭變化，鎂碳磚的AP逐漸升高。因為BD主要由原料種類、顆粒大小及數(shù)量決定，表現(xiàn)出略有下降的趨勢，降幅并沒有AP增幅明顯。

圖6為側(cè)打平砌磚成型時泥料被壓制的過程示意圖。從圖可知，成型時一般采用“平鋪”形式布料，即加壓前模腔內(nèi)泥料上表面為水平面，這主要受制于生產(chǎn)設(shè)備條件和生產(chǎn)組織管理。開始加壓后，泥料中的顆粒在結(jié)合劑的潤滑作用下會發(fā)生壓縮遷移，細顆粒逐步填充在大顆粒堆積成的空隙內(nèi)，泥料厚度隨著壓制過程的進行而逐漸變小，加壓結(jié)束后，泥料的厚度減小值與其原始厚度之比稱為成型過程的壓縮比。從圖6可見，側(cè)打平砌磚成型用模具的底蓋板厚度帶有稍度，加壓過程中的受力面始終為斜面，從小頭到大頭方向，泥料最終成型厚度逐漸變大，這使泥料在壓制過程中的壓縮比逐漸變小。壓縮比變小，而模具又是剛性的，當小頭端泥料致密化達到極限時，大頭端泥料卻沒有被完全擠壓，內(nèi)部的空隙未完全填充。盡管模具對泥料的壓制力可以分解成一個朝向大頭的水平分力Fs，但因為泥料間較大的摩擦力損耗，顆粒在作用力下向大頭方向遷移的位移十分有限。所以，采用側(cè)打平砌法成型的磚坯就出現(xiàn)了從小頭到大頭方向上顯氣孔率逐漸升高的現(xiàn)象。

圖4 各試樣體積密度值
Fig.4 Bulk density of each sample

圖5 各試樣顯氣孔率值
Fig.5 Apparent porosity of each sample

圖6 成型過程示意圖Fig.6 Schematic diagram of forming process

由于平打平砌磚成型時，受壓面始終為水平面，成型過程中，磚坯各部分的壓縮比都一致，所以從小頭到大頭的方向依次取樣檢測時，顯氣孔率和體積密度并不發(fā)生變化。

2.2 成型方向?qū)︽V碳磚強度的影響

圖7、圖8示出了試樣CCS和HMOR變化趨勢。由圖可知，P1、P2試驗磚的各試樣CCS平均值分別為40.2 MPa、39.2 MPa，最大偏差僅分別為1%、0.8%，HMOR平均值分別為12.03 MPa、12.01 MPa，最大偏差分別為1.1%、1%。檢測結(jié)果波動小，且均在試驗誤差允許范圍之內(nèi)，因此，當成型方向與砌筑層高一致時，可認為鎂碳磚從小頭到大頭的CCS和HMOR基本不變。

從圖7、圖8還可以看出，C1、C2、C3試驗磚的各試樣CCS和HMOR均表現(xiàn)出大幅度下降的趨勢。如C3試驗磚，小頭處試樣C3N1的CCS為39.5 MPa，而大頭處C3N7試樣卻降至35.8 MPa，降幅約9.4%；小頭處試樣C3G1的HMOR為13 MPa，大頭處試樣C3G7檢測為11 MPa，降幅高達15.4%。

圖7 各試樣常溫耐壓強度值
Fig.7 Cold crushing strength of each sample

圖8 各試樣高溫抗折強度值
Fig.8 Hot modulus of rupture of each sample

發(fā)生上述現(xiàn)象同樣是因為側(cè)打平砌法成型時加壓面為斜面，沿小頭到大頭方向上泥料的壓縮比逐漸下降，氣孔率不斷升高造成的。即越接近于大頭的試樣，單位受力面上的氣孔數(shù)量越多，能夠抵抗外力破壞的有效支撐面越少，強度就越低。而采用平打平砌法成型時，泥料不存在壓縮比下降，所以P1、P2試驗磚在此方向上強度基本保持不變。

2.3 側(cè)打平砌的稍度對鎂碳磚性能的影響

表5示出了C1、C2、C3從小頭到大頭的顯氣孔率增幅變化情況。由表可知，從小頭到大頭方向，試樣的AP均升高，而制樣規(guī)則及相鄰試樣取樣間距一致，那么它們的AP升高幅度和增速大小順序為：C1

表5 各試樣顯氣孔率變化Table 5 Changes of apparent porosity of each sample

據(jù)前文可知，側(cè)打平砌楔形磚C1、C2和C3的稍度分別為20 mm、40 mm和60 mm。綜上所述，側(cè)打平砌磚稍度對其從小頭到大頭的性能變化影響較大，隨稍度增加，其AP上升及BD、CCS和HMOR下降均大幅度增加。這是因為，稍度越大，成型時泥料的壓縮比降速越大，使大頭處泥料密實度和小頭處相差甚遠。

另外，結(jié)合圖2～圖8及表5可知，側(cè)打平砌磚的性能大約在4號取樣位置(中間部位)以后才發(fā)生較大的變化，而1～3號性能檢測結(jié)果變化不大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是，在成型時，泥料被模具的斜形蓋板擠壓，擠壓力有一個朝向大頭的水平分力Fs(見圖6)，可以將泥料顆粒推向大頭方向，但因為顆粒與顆粒間、泥料與模具壁間存在著較大的摩擦力，這種水平分力超過中間部位后，效能非常小。而小頭到中間部位，因為對壓縮比降低有一定補償，所以鎂碳磚性能變化較小。這也正是側(cè)打平砌磚，在使用過程中常常表現(xiàn)出爐役中后期抗侵蝕能力快速下降的原因。

3 結(jié) 論

(1)當成型方向為砌筑層高方向時，即平打平砌磚，其性能指標并不沿著小頭到大頭方向發(fā)生明顯變化，而表現(xiàn)為致密性分布均勻、性能穩(wěn)定的優(yōu)點。

(2)當成型方向垂直于砌筑層高方向時，即側(cè)打平砌磚，因泥料存在壓縮比變化，其顯氣孔率沿著小頭到大頭方向逐漸增大，而體積密度、常溫耐壓強度、高溫抗折強度卻不斷降低，并會隨著側(cè)打平砌磚的稍度增大而愈加明顯。

(3)采用側(cè)打平砌法成型時，受成型壓力的水平分力影響，磚體從小頭到中間部位的性能下降幅度并不大，從中間部位至大頭部位才表現(xiàn)出性能大幅度下降的規(guī)律。這也是側(cè)打平砌鎂碳磚在爐役中后期抗侵蝕能力大幅度下降的原因。

(4)盡管側(cè)打平砌法具有模具成本低、便于組織生產(chǎn)的優(yōu)勢，但因采用其生產(chǎn)楔形鎂碳磚時，磚體致密度分布不均勻，導致性能不穩(wěn)定，最終會影響鎂碳磚的使用壽命。因此，生產(chǎn)楔形鎂碳磚的成型方向平行于砌筑層高方向，即采用平打平砌法是比較合理的。