镁质浇注料开裂的解决措施

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-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

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 mm×40 mm×160 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。

研究硅微粉加入量对镁质浇注料抗热震性的影响。

表1 原料的化学组成（w）%

项目MgO SiO2Al2O3Fe2O3CaO 烧失量

中档镁砂93.97 2.03 0.49 1.26 1.73 0.59

硅微粉92.45 1.71

抗热震试验是将炉温升到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，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。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13.5×10-6℃-1(20~1 000 ℃)，镁橄榄石的膨胀系数为12×10-6℃-1(20~1 100 ℃)），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)/% 1 2 3 4 5 试验前抗折强度/MPa 20.3 23.5 21.8 14.3 13.6

试验后抗折强度/MPa 8.5 7.9 9.6 8.1 7.2

抗折强度保持率/% 41.9 33.6 44.0 56.6 52.9

注：试样抗折强度保持率按下式计算

R r=R a/R b×100%

式中Rr—抗折强度保持率，%；R a—试验前抗折强度，MPa；R b—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H 2。具体反应式如下：

Al ＋H 2O→Al(OH)3＋H 2↑

这是一个剧烈的放热反应，物料快速脱水，促进SiO 2超微粉凝聚结合的发展，从而提高其强度。同时又由于H 2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 mm×50 mm×50 mm 的立方块，在环境温度20 ℃左右自然养护24 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)/％

0 0.01 0.02 0.03 0.035 0.04 抗爆裂性能 × × × × × × × ×√ ×√√ √√√ √√√

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H 2，如果H 2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，便于其内部水汽顺利排出。

4 镁质浇注料的工艺优化

4.1工艺流程

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 配料烧成 拣选