不同因素对ASC浇注料抗爆裂性能的影响

第一作者单位：濮阳濮耐高温材料(集团)股份有限公司

1 前言

对于Al2O3-SiC-C浇注料来说，其优异的抗爆裂性能可以大大缩短浇注料的施工时间，改善浇注料的微观结构，有助于材料使用性能的提高。目前关于Al2O3-SiC-C浇注料对其抗爆裂性能的报道主要集中于防爆纤维、引气剂(无机引气剂、有机引气剂和碱式乳剂防爆剂)等方面，以上这些研究均是在浇注料能够在特定时间内保持一定流动性的前提下进行的，这就为抗爆剂尤其是引气剂在烘烤前提供了足够的时间去改善浇注料的脱气性和抗爆裂性能。但当浇注料凝结速度较快时，引气剂将无法起到足够的抗爆裂效果，这时需要从其它方面研究浇注料的抗爆裂性能。本文在假设浇注料发生速凝的前提下，研究了其它不同因素(微粉、分散剂和防爆纤维)对浇注料抗爆裂性能的影响。

2 试验原料

本文以棕刚玉为骨料和细粉(67%)，SiC和球沥青(共20%)、活性α-Al2O3和硅微粉(共10%)为主要原料(化学指标见表1)，制备了微粉结合Al2O3-SiC-C浇注料。分别测试了硅微粉加入量、分散剂(六偏磷酸钠、三聚磷酸钠)、防爆纤维种类和加入量对浇注料抗爆裂性能的影响。

3 试验方法

由于浇注料的流动介质通常是水，烘烤时浇注料内部的水分受热蒸发，若这些水蒸汽不能及时从浇注体中排出，它将在浇注料内部产生巨大的蒸汽压力，这个在材料内部由于水蒸汽形成所产生的应力是导致坯体开裂、损毁和材料使用寿命下降的直接原因。从这个角度出发，本文采用直观法和间接法两种方式来评价浇注料的抗爆裂性能。

3.1 直观评价法

将浇注料按固定加水量搅拌成具有合适流动值的泥料，再加入固定量的速凝剂使泥料迅速失去流动性，成为可塑性泥料，最后手握成团，进行抗爆裂试验。泥料团放入电炉后，由于水分的蒸发吸热作用，炉内温度呈现先降温后升温的过程，待温度重新升高至试验温度后，停止试验并将泥料团从电炉中快速取出。

泥料团放入电炉后的升温曲线见图1，可以看出不同试验温度所造成的温降幅度和升温时间基本是一致的，这样保证了不同温度下试样的抗爆裂性能具有水平和垂直可比性。

3.2 间接评价法

直观评价法虽然可以直接观察到浇注料的抗爆裂性能，但其评价结果相对比较粗放，因此本文将采用通过测定泥料团质量损失率的方法来间接评价浇注料的抗爆裂性能，以便对直观评价法进行补充和验证，见式1。

RL=100×(MB-MA)/[MB/(1+W)](1)

式中：RL为质量损失率，%;MA为试验后质量，g;MB为试验前质量，g;W为加水量，%。

试验过程中泥料团的质量变化不只来源于水的蒸发，也可能来自于沥青和抗氧化剂的氧化，因此泥料团的质量损失率即为水分的蒸发和碳源的氧化所带来的总的质量变动。当试验温度较低时，碳源的氧化量很小，此时的质量损失主要应由水分蒸发造成，水分排出速度越快，相同时间内的质量损失率越大，材料的抗爆裂性能也就越好。

当提高测试温度时，碳源的氧化速率加快，此时的质量损失可能由水分蒸发和碳源共同影响，但对于平行测试的几组样品来说，由于试验条件相同，碳源的氧化速率基本一致，这时以质量损失率来评价抗爆裂性能应同样具有说服力。

4 试验结果

4.1 重量对浇注料抗爆裂性能的影响

将呈现塑性状态的泥料手工团成泥料团，重量分别在400-1000g之间，将泥料团同时放入抗爆裂炉中进行试验，结果见图2、图3。

可以看出，试验温度为600℃时，试样均未发生爆裂，但出现了明显的开裂现象;650℃时，除了492g试样未爆裂外，其余均发生爆裂。由此可见，当重量小于500g时，试样的抗爆裂温度为650℃;当重量小于1000g时，试样的抗爆裂温度为600℃。试样的重量越大，对应的体积越大，气体的排出速度就越慢，抗爆裂性能相对就会越差。

从600℃试验后试样的质量损失率曲线来看(图4)，虽然该温度下各试样均未发生爆裂，但质量损失率却随着重量的增加而逐渐降低，质量损失率越小，则意味着排气效果越差，抗爆裂性越差，可见质量损失率与材料的抗爆裂性存在一定的负相关性。

4.2 硅微粉对浇注料抗爆裂性能的影响

将硅微粉加入量分别为2%(S2)和4%(S4)的试样，分别手握成团，泥料团的重量控制在500-700g之间，相同温度下试验的两个试样其重量应尽量接近，试验温度分别为400℃、500℃、550℃和600℃，结果见图5和图6。其中由于硅微粉的填充效应，成团前为了达到相同的流动值，S2试样加水量为7%，S4加水量为6.5%。

从结果可以看出，试验温度在400-600℃时，试样均未发生爆裂，但硅微粉加入量为4%的试样(S4)在600℃时出现开裂现象;从质量损失率来看，试样的抗爆裂性能并不会因为加水量的提高(S2比S4多0.5%)而明显变差，扣除加水量因素后，相同温度下S2试样的质量损失率要略微大于S4试样，说明S2试样的排气性要好于S4试样;而随着温度的升高，试样的质量损失率呈现逐渐降低的趋势，这可能是由于抗氧化剂起到堵塞气孔的作用。

4.3 分散剂对浇注料抗爆裂性能的影响

将0.15%的六偏磷酸钠(SHMP)或三聚磷酸钠(STPP)分别加入到不同的浇注料中，固定加水量和速凝剂加入量，最后手握成团(600-700g)，试验温度为600℃和650℃，试验结果如图7和表2所示，其中650℃时的质量损失率为爆裂后的残余质量。

可以看出，试样均在650℃时发生爆裂，在600℃时不爆裂但有微小裂纹，三聚磷酸钠为分散剂时质量损失率在600℃时较六偏磷酸钠略大，说明三聚磷酸钠的抗爆裂性能较好。

4.4 防爆纤维对浇注料抗爆裂性能的影响

在浇注料中加入不同的防爆纤维，P2试样纤维熔点为150℃，加入量为0.2%;Y1、Y2试样纤维熔点为80℃，加入量分别为0.1%和0.2%。固定加水量和速凝剂加入量，最后手握成团(500-700g)，试验温度为600℃、650℃、700℃、750℃、800℃，试验结果。

可以看出，防爆纤维的加入量对浇注料抗爆裂性能有明显的影响，试验范围内均未出现爆裂现象，说明加入0.2%高熔点纤维P2试样的抗爆裂性能与加入0.1%低熔点纤维的Y1试样相当;从质量损失率来看，相同温度下，低熔点纤维试样Y1的排气性优于高熔点纤维试样P2，相同纤维较高的加入量Y2排气性优于Y1排气性，因此可认为纤维的防爆性能排序为：Y2>Y1>P2。

随着试验温度的升高，600-700℃时试样的质量损失率变化不大，而700-800℃时试样的质量损失率迅速提高，这可能是由于碳的氧化速率加快所致，说明在该温度下浇注料的抗爆裂性能不仅需要研究水蒸汽排出所产生的应力作用，还要考虑碳的快速氧化对材料微观结构的影响。

5 结论

(1) 不同的施工体厚度(重量)，其抗爆裂温度有所不同，厚度越大排气性越差，抗爆裂性能也就越差。

(2) 试验范围内，硅微粉加入量的提高对材料的抗爆裂性能不利，但水分的增加对抗爆裂性能的影响并不明显。

(3) 提高纤维加入量或选用低熔点纤维可以改善浇注料的抗爆裂性能。

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