针对提高实验所制镁碳砖体积密度的研究及建议徐福禹

针对提高实验所制镁碳砖体积密度的研究及建议

徐福禹

昨日实验所制镁碳砖的体积密度分别为2.90g/cm3 和

2.88g/cm3 ，并未达到理想值2.95g/cm3 。针对此情况进行了思考及研究，并查阅了部分相关论文及文献，现对于原料配比方案提出一下建议：

1.增加树脂用量

根据辽宁科技大学高温材料与镁资源工程学院 游杰刚等人所著《酚醛树脂加入量对钢包渣线再生镁碳砖性能的影响》，他们利用钢包渣线用后镁碳砖再生料制备了钢包渣线再生镁碳砖，在再生料加入质量分数为80%的基础上，研究酚醛树脂加入量（外加质量分数分别为3.25%、3.5%、3.75%、4.0%、4.25%）对再生镁碳砖致密度、强度和抗氧化性影响。得到结论是：

（1） 随着酚醛树脂加入量的增加，200℃热处理后再生镁碳砖的致密

度、常温耐压强度、常温抗折强度及高温抗折强度均增大，抗氧化性增强。

（2） 随着酚醛树脂加入量增加，900℃埋炭处理后式样的致密度增

大，但当酚醛树脂加入量达到4%后其致密度变化不大。

（3） 再生镁碳砖中酚醛树脂的加入量以3.5%~4%为宜。

根据中国钢研科技集团有限公司特种陶瓷与耐火材料北京市重点实验室 王云等人所著《添加半成品废砖的再生镁碳砖研究》，他们将镁碳砖生产过程中的半成品废砖经过拣选、破碎、筛分后制成3种粒度的再生料，然后在镁碳砖常规配方中加入再生料制成再生镁碳砖试样，并研究了树脂添加量（外加质量分数分别为3.8%、4.0%、4.2%、

4.4%）对再生镁碳砖试样性能的影响。得到的结论是：

由上图可以看出，随着树脂外加量的提升，试样的显气孔率呈先减小后增大的变化趋势，体积密度呈先增大后减小的变化趋势，拐点

皆为树脂外加量为4.0%时。

在拐点前，树脂膜的完整程度和厚度的增加起主导作用，因此试样致密度和强度增大；在拐点后，树脂挥发分留下的空洞增多起主导作用，因此试样的致密度和强度减小。

原实验配方中树脂外加量为3%，但在混料过程中发现对镁砂和石墨的润湿程度不够。

因此，建议树脂外加用量提升至4%。

2.混料顺序

根据武汉科技大学 孙枫所著《再生铝镁碳砖及镁碳砖的研究和应用》，由于混炼时加料顺序对再生砖性能指标的影响较大，所以在实验过程中设计了3种混炼方式（总混炼时间不少于28分钟）：

(1)骨料一热固性树脂(总量的65％)——石墨和再生料细粉——热固性树脂(总量的35％)——其他粉料和外加剂——出料。

(2)骨料一热固性树脂(总量的65％)——石墨——再生料细粉——热固性树脂(总量的35％)——其他粉料和外加剂——出料。

(3)骨料一热固性树脂(总量的65％)——石墨——熟固性树脂(总量的35％)——再生料细粉和其他粉料和外加剂——出料。

通过实验对比，发现采用方式（2）可使砖获得更好的性能指标。方式（2）在石墨加入后，混合2min再加入再生细料粉，可使石墨更充分包裹骨料，便于成型。

各方式所产砖性能指标如下图

:

其他相关文献中，对于混料过程描述也多采用此方式。因此，建议采用此混料顺序：

骨料一热固性树脂(总量的65％)——石墨——再生料细粉——热固性树脂(总量的35％)——其他粉料和外加剂——出料。

3.颗粒级配的优化

在耐火材料生产中，对于已经粉碎的原料，如何选取颗粒级配，即如何对原料进行分级与选取合理的颗粒级配是配料工序最基本的问题。只有选取可以使坯料达到紧密堆积的级配，才有可能生产出高质量的产品。实际生产中，对已粉碎好的原料分级、配比往往受实际条件和工艺要求的限制，因此，如何设计和选取颗粒配比，在满足实际要求的前提下使坯料达到紧密堆积是耐火材料工业生产中最基本的问题之一。

根据武汉科技大学耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地 祝洪喜等人所著《耐火材料连续颗粒分布的紧密堆积模型》，他们通过建立具有连续尺寸分布颗粒的紧密堆积模型，计算耐火材料颗粒的最佳配比，以期达到最紧密堆积。通过模型求得累积的体积分数为

ΦB=V(

此次研究以烧成砖配料为对象，取dL=5mm，按3级即

5~3,3~1,1~0mm（实际为1—ds）作为粒度配料。采用机械破碎时，材料在1～0 mm粒度范围的实际最小粒度是不同的，故烧成砖的粒度组成理论研究的边界条件为：dL =5 mm，d=3，1 mm，ds=0.10，0.020，

0.010，0.005 mm，n分别取0.33，0.35，0.37，0.39，0.41(n为颗粒具有不同分形维数时的分布指数)。结合我们的配料粒度，选取ds=0.005 mm时的计算结果，如下表：

、

在理论计算中，n值在最紧密堆积时的值为0.37，通过模型计算的最佳配比为粒度5~3占18.67%，粒度3~1占29.98%，粒度1~0占51.35%。结合我们的配方，由于黑镁砂中存在假颗粒，在混炼和成型过程中容易发生二次破碎，使细颗粒部分增加，可适当提高粒度5~3和粒度3~1的配比，具体配比要根据实际条件和工艺要求而定。（这里的配比是按体积计算，如果要按重量计算只需乘上密度即可）

根据中国钢研科技集团有限公司特种陶瓷与耐火材料北京市重点实验室 王云等人所著《添加半成品废砖的再生镁碳砖研究》，通过固定电熔镁砂、鳞片石墨、再生料、铝粉和酚醛树脂的加入质量，仅改变试样粗颗粒或中颗粒含量，并相应改变细粉含量，设计了A、B两个系列的试样，具体配比如下表：

此外，还制备了没有加入再生料的试样S作为对比试样。其配比为：电熔镁砂88％，鳞片石墨12％，铝粉3％(外加)，热固性酚醛树脂4％(外加)。

对试样进行处理及分析，测得颗粒级配对试样性能的影响：

从上表可以看出，与未添加再生料的试样S相比，加人再生料的试样性能有所降低，但试样Al、B1和B2的性能与试样S的比较接近，并且其显气孔率、体积密度和常温耐压强度均达到镁碳砖的技术要求。可以参考A1、B1和B2试样进行颗粒级配的配比。（该表配比按照重量计算，而非体积计算）

4．成型压力的控制

由于采用黑镁砂作为骨料，成型时骨料极易进一步破碎成更小的颗粒，因此，确定一个最佳的成型压力很重要。

根据武汉科技大学耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地 丰年等人所著《废弃镁碳砖制备精炼钢包用衬砖的研究》，他们通过不同的成型压力对试验样品进行冲压，来测试成型压力对试样体积密度和显气孔率的影响。结果如下：

可以看出，当成型压力小于220～240MPa时，试样体积密度较大，显气孔率较小；当成型压力大于240 MPa时，试样体积密度减小，显气孔率增大。所以最佳成型压力应为220~240MPa之间。

我们公司机压厂成型车间采用的全部是630t摩擦式压砖机，而不是恒压式压砖机，不能准确设定成型压力，只是简单区分轻压和重压，采用摩擦式压砖机多次压制的方式成型，靠提高压力和压制次数提高生产质量。

根据山东轻工业学院 李亮所著《镁碳砖生产工艺优化及性能改进的研究》，由于摩擦式压砖机压力的不确定性，过大的压力会对镁

碳砖内部结构造成破坏，严重影响镁碳砖的质量和使用寿命。所以提出逐步加压的压制方法，逐步提高压力，减少重压次数，并对此方法进行实验操作。采用1000t双盘摩擦压力机，在压制过程中采用正常生产中的加压方式，逐步加压以及逐步加压并保压三种不同的加压方式进行加压。实验结果如下：

通过上图可知，逐步加压和逐步加压并保压的试样比正常生产的耐压强度和抗折强度有很大提高。采用逐步加压的压制方法在初压时有较低的压力，有利于降低颗粒间的摩擦力，使粉料颗粒相对移动重新排列比较容易，更有利于空气的排除。可以改善产品内部结构，从而提高产品的耐压强度和抗折强度，理论上产品的体积密度也会有所提高。

5．镁砂细粉加入量

镁砂细粉是镁碳质耐火材料基质的重要组成部分，直接决定了镁碳质耐火材料性能。

根据武汉科技大学耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地 丰年等人所著《废弃镁碳砖制备精炼钢包用衬砖的研究》，使用回收料（黑镁砂）、电熔镁砂、烧结镁砂和鳞片石墨为原料，以热固性酚醛树脂为结合剂，并加入不同质量的镁砂细粉制成试样，检测镁砂细粉加入量与试样体积密度和显气孔率之间的关系。结果如下：

从图可看出，镁砂细粉加入量为10%时试样体积密度和显气孔率达到最佳值。与镁碳砖常规制备相比，其细粉含量较少，这是因为在混碾、成型过程中回收料的颗粒强度较低，易造成二次破碎，使细颗粒部分增加，因此，适当减少镁砂细粉的加入量，能够提高试样的体积密度，从而降低显气孔率。