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
直都是要求保证在25~40 ℃左右，养护时间在12~24 h。
由于以前的养护室不是密闭的，养护温度受季节变化影响很大，对产品脱模也一直没有明确的时间控制，都是依靠小锤敲击或估计大概时间等来决定，导致产品的废品率较高，并且造成生产进度受养护的制约比较明显。
经过车间对养护室的技术改造，保证了养护温度的恒定。
在保证养护温度不变的情况下，需要进一步明确镁质浇注料的养护时间，便于车间组织生产。
随后又经过对养护时间、成型情况以及脱模效果等大量数据进行对比分析，发现在保证养护温度的前提下，镁质预制件养护6~8 h就可以达到足够的强度，完全可以进行脱模，脱模时间的缩短大大提高了生产节奏。
4.3 烘烤制度的优化
镁质预制件脱模后，直接装入高温窑进行快速烧成处理。
在优化工艺之前，镁质预制件都是装进烘干房进行烘干，烘干的最高温度是150 ℃，烘干时间将近98 h，烘干后往往发现预制件产品出现不同程度的上涨或者裂纹，导致废品率特别高。
为了解决烘干废品率高的问题，采取烧成工艺处理，烧成的最高温度为600 ℃，烧成时间将近40 h，烧成后发现预制件产品表面光滑，强度较高，合格率达到95%以上。
但是这样一来，烧成时间太长，成本大幅度提高，车间生产节奏比较慢。
基于前面的问题，把烧成时间缩短，进行快速烧成处理。
结果烧成处理后的镁质预制件产品同样表面光滑，强度较高，合格率达到95%以上，不仅降低了裂纹的产生，也降低了生产成本、缩短了生产节奏，便于车间大规模生产应用。
具体的烧成曲线如图2：
图2 镁质预制件的烧成曲线
5 结论
(1)当SiO2超微粉加入量为4%时，镁质浇注料的施工性能最佳；金属铝粉的加入量为0.035%时，有利于浇注料中的水分畅通排出，有效的降低烘烤中裂纹的产生。
(2)车间实际的生产工艺对镁质浇注料开裂有一定的影响。
通过对车间养护温度、养护时间以及烘烤制度的优化，也能够有效的降低裂纹的产生。
参考文献
1 江弘.超细粉结合中间包镁质堰板[C]//97全国不定形耐火材料论文集，1997:103~107.
2 魏耀武,李楠,吴宏鹏.硅微粉对SiO2-MgO-H2O系统中水合物形成的影响[J].耐火材料,2001,35(5)：255~257.
3 韩行禄.不定形耐火材料[M].二版.北京:冶金工业出版社.。