镁质浇注料的爆裂机理和抗爆裂性能研究
发布日期： 2020-04-11 14:13:39 阅读量（417） 作者：刘梓明
因氧化镁具有高熔点(>2800℃)，抗碱性渣侵蚀性强，对钢液增氧低，与钢液具有良好的相容性等特点，使得氧化镁成为具有吸引力的耐火材料原料。在镁质耐火材料领域内，首先发展的是镁质定形制品如镁铬砖、镁尖晶石砖和镁碳砖等。随着耐火材料向着不定形化趋势发展，逐步发展了氧化镁质浇注料。
1、镁质浇注料爆裂机理和抗爆裂技术
耐火浇注料在施工过程中需要加入水。水在材料中存在的状态可分为三类：一类是凝聚在材料表面和内部的自由水，一类是吸附水，还有一类是形成化合物中的结构水。随着温度升高，上述三种水顺次脱除。在浇注料快速烘烤、干燥阶段，材料内部水分逸出，造成较高的蒸气压和热应力(温度梯度造成)，当两者的作用力高于浇注料的极限强度时发生爆裂，对生产和安全造成危害。朱珠等通过在水泥结合的刚玉浇注料的制备时埋入压力引管和热电偶，记录加热过程中试样内蒸汽压力和温度，其结果显示炉温以恒定速率增加，试样内部温度也呈线性增加，但内外温差接近100℃。当炉温小于300℃时，试样蒸气压增长缓慢，而在300℃-400℃范围内，压力值急剧增加，并在400℃时(试样内部温度约为260℃)压力达到最大值。并且最大蒸气压出现在试样中心位置。刘岩等的研究结果也显示，以含氧化镁.SiO2微粉无水泥结合刚玉浇注料受到单面加热处理时，当在试样内部升温达到410℃时发生爆裂。而上述报道的爆裂点与水化相的失水温度范围相吻合，说明材料爆裂温度与水化相失水行为密切相关。
浇注料的抗爆裂技术实为改善材料内部水分排除过程，避免水蒸气在内部聚集形成大的压力。浇注料内部看作成一个多孔介质结构，其中的小尺寸孔存在毛细管现象，附加压力的存在导致管内外形成液面差(如图1所示)。当毛细孔径(半径为R)越小，管内的液面上升高度(h)越高，即越容易吸附水或水蒸气，在升温过程中水蒸气则越难被排除。目前浇注料内采用的抗爆裂技术手段包括：
(1)优化设计颗粒级配或者使用高效减水剂(分散剂)在保证施工性能的条件下，尽可能减少水的加入量。
(2)根据浇注料试样的爆裂温度范围，制定合理的干燥制度。在爆裂点温度附近，升温速率不能过快。
(3)添加金属铝粉，在浇注料内碱性离子的催化作用下，与水反应释放氢气。当氢气积累并达到一定压力后，由材料内部向外逸出，形成贯通式气孔通道，使得后续水蒸气可以沿着此通道快速排出，减少对浇注料产生的阻力。但是铝粉粒度过细或添加量过多反而因产生大量氢气造成材料鼓胀甚至开裂。
(4)添加防爆纤维，其一般在低于200℃范围内发生熔解在材料内形成孔，增加了浇注料内的孔径和孔的数量，利于水蒸气排出。但是纤维的长度，直径却会影响浇注料的流动性。
(5)使用有机发泡剂，如偶氮二甲酰胺与铝酸钙水泥和水生成钙盐，随后钙盐随温度以及时间的变化分解产生N2、CO2、NH3气体，形成开口气孔。相比于Al粉，偶氮二甲酰胺的分解反应受温度影响小，且产生的气体量较少，不剧烈，减少了材料发生鼓胀的问题。
图1毛细管现象示意图
2、镁质浇注料抗爆裂性研究
镁质浇注料的抗爆裂性同样与材料内水化结合相的热分解行为(失水温度范围)密切相关。当自由水和吸附水较快地排除后，水化产物氢氧化镁相含有结构水，其在350-420℃范围内发生热分解;当试样内部温度达到此温度范围时，内部急剧产生水蒸气，当水蒸气产生速率高于排出速率时，会聚集在一起进而对材料造成大的应力，容易发生爆裂。除了上文中常见抗爆裂技术，可以通过减少氢氧化镁水化相生成或者提高材料早期结合强度来提高镁质浇注料抗爆裂性能。此外，若水化相的水分呈现多阶段分解，则降低了水蒸气集中式排出造成大应力的风险，即材料抗爆裂性提高。
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