硅质捣打料不同配比的性能试验：如何才能达到干式料的最佳性能

干式捣打料是由一定颗粒级配的耐火骨料、粉料、结合剂和外加剂组成的用人工或机械方法捣打施工，并在一定温度下硬化的不定形耐火材料，多用作感应炉炉衬材料。无芯中频感应炉用干式捣打料分酸性、碱性和中性三类。无芯感应炉由于具有升温能力强、可间歇作业、炉衬费用低、使用灵活方便等特点，被广泛应用于铸造行业，是国内铸造企业熔化铁和有色金属或熔液保温的主要设备。目前，许多感应炉的炉衬材料采用硅质干式捣打料。

干式捣打料呈松散状，成型之前无粘结性，只有以振动或强力捣打才可获得密实的结构使得粒度分布(合理级配)成为影响其性能的重要因素之一。炉衬作为感应炉的重要组成部分，不但直接影响熔炼金属的质量，而且还影响其生产成本，因而炉衬材料的选择是十分重要的。硅砂与中性和碱性耐火材料材料相比，价格低廉，目前以硼酸为烧结剂的硅质干式捣打炉料使用十分广泛，石英材料具有耐高温、低导热及低热膨胀(=0.54×10??℃??)等性能特点，但是硅质材料在高温下存在较复杂的晶型转变，因而要考虑加入硅砂的粒度组成以及结合剂的种类对材料高温性能的影响。从SiO?-B?O3相图看，B?O的加入量以小于2%为宜。随着原料颗粒粒度的增大，烧后硅质材料的耐压强度增大，因而捣打料中加入硅砂的粒度适当大些。这些因素都会对烧后硅质干式捣打料的试样性能有所影响。本文针对现有硅质干式捣打料使用存在组成不合理、结合剂的选择较多等问题，研究不同原料的粒度组成、结合剂的种类对材料性能的影响，确定材料合适的颗粒级配及最佳的结合剂。

实 验

采用的原料为分别为3～1mm、≤1mm和≤0.053mm粒度的石英砂(wSiO=99.53%)和工业级纯度的硅微粉、硼酸、氧化硼、偏硅酸钠(0.5～1mm)、氧化钙。硅质干式料的配比组成见表1。按表1的配比准确称料，干混匀后导入模具中手工捣打成型。将成型好的试样分别在1500℃和1550oC下保温3h脱模。以s3试样的颗粒级配为基准，加入不同结合剂试样的配比如下表2所示。1500℃和1550oC烧后试样分别按GB/T5988-2007、GB/T2997-2000和GB/T5027-2008测量永久线变化、显气孔率和耐压强度，用x射线衍射仪进行物相分析。

结果与讨论

不同粒度组成试样在1500℃烧后的气孔率明显高于在1550℃烧后试样的气孔率，s2试样在不同温度烧后气孔率和体积密度的变化较大;s3试样的气孔率在不同的温度时与s1、s2相比有最小的显气孔率，有最大的体积密度。原因是：随着烧结温度的升高，颗粒烧结程度增加，颗粒与颗粒之间结合紧密。在相同烧结温度时，s3试样的堆积更紧密，气孔得到更充分地填充。

s2、s3试样在1500℃烧后的线变化率明显比在1550℃烧后的要低。在相同温度烧后，这三组样品中s3试样的线变化率最小，线变化率分别为7.79%和8.03%。原因是：颗粒中的石英相发生晶型转变需要较高一定的温度，当烧结温度高时，干式捣打料中已形成较多的液相，大颗粒体积膨胀会被液相吸收，降低了其膨胀率。因此作为炉衬材料的石英砂，考虑高温时体积稳定性的影响，选择S3试样的粒度组成比较好。

(a)显气孔率;(b)体积密度;(c)线变化率;(d)耐压强度图2a和b分别是不同结合剂试样在1500℃和1550qC烧后的显气孔率和体积密度。从图中知道，1500℃时S20试样的显气孔率最低，体积密度最高。1550℃时S26试样的显气孔率最低，S29的显气孔率最高。S20试样在1500℃和1550℃的显气孔率相差较大。原因是在1500℃时S20试样中加的结合剂很好地促进烧结，有利于试样中气孔的排出，提高材料的致密性。

不同试样烧成后，试样的线变化率都为正值，表现为体积膨胀。1500℃时S26试样的线膨胀率最高，为8.37%，S20的膨胀率最低，为2.69%。1550cC时线膨胀率最高为s2a，为7.5%，S20的膨胀率最低，为5.23%。因此可以判断出在粒度相同的情况下S20试样的结合剂在高温时熔融形成的液相可以更好的降低颗粒晶型转变带来的膨胀。

图2d是不同结合剂试样在1500℃和1550℃烧后的耐压强度。1500℃时耐压强度最高的试样是S25，为10.22MPa，最小的的试样为S23，仅有2.07MPa;1550℃时耐压强度最高的是S20，为9.936MPa，最小的仍是试样是S23，仅有2.27MPa。

S22与S21相比，两者烧后显气孔率和体积密度没有大的变化，但S22的线变化率和耐压强度比S21高一些，这可能是因为随着BO的加入量增加促进了石英的烧结，而石英烧结过程中会有较复杂的相变，伴随着一定量的体积膨胀，表现为线变化率大，而促进烧结会使试样的耐压强度增加。

通过S21、S23、S24、S25试样的对比，后三者的体积密度与前者没有多大差别，显气孔率、线变化率和耐压强度较前者有所上升。偏硅酸钠可以作为石英烧结过程中的粘结剂，其加入量增加促进了石英砂烧结，使试样的耐压强度有所增加，其显气孔率和线变化率的规律不是很明显。

实验也加入CaO作为矿化剂，控制石英的晶型转变。随着CaO含量的增加，其显气孔率、线变化率、耐压强度均有所变化，S27较S26的耐压强度有所增加，说明CaO能控制SiO?的晶型转变(方石英向石英转变)，使其向有利于其强度提高的方向发展。加入SiO?微粉能形成液相，促进石英砂的烧结，但是随着SiO微粉的加入，其强度有所降低，这可能是因为SiO?的引入在一定程度上改变了其晶型转变，使其膨胀率高，耐压强度低。

500oC时S20试样的主要物相是石英和方石英，通过半定量分析，试样中石英含量为58%，方石英含量为42%，石英向方石英转化并不完全。方石英峰比较多，通过半定量分析，石英含量为5%，方石英含量为95%，石英向方石英转化比较完全。1550℃膨胀率比1500℃高些是因为石英向方石英转化多，因此产生的膨胀率较高些;1550℃时因为试样中石英向方石英转变的比较完全，试样整体的结构稳定性比较好，相比其他试样拥有较高的耐压强度。

结 论

(1)经过1500℃和1550℃烧后，试样的线变化率、气孔率、体积密度均有比较明显的差别，说明不同的颗粒紧密堆积程度影响较大，对制品的性能的影响也很大;(2)试样中含有较多的大颗粒，在烧结过程中可以减小试样的膨胀率，其粒度分布符合紧密堆积原理，细粉可以充分填充气孔，降低气孔率，提高制品的体积密度，从而使其耐压强度偏高;(3)结合剂在1500℃和1550℃生成液相后，能够润湿颗粒表面，减少颗粒膨胀带来的较大的线变化。1550℃烧后试样中石英向方石英转变彻底，将具有较好的气孔率和耐压强度。