中間包幹式工作襯與絕熱板和塗料相比，具有施工方便，熱效率高，中間包周轉快，使用壽命長，殘襯解體性好和能耗低等優點，在連鑄中間包冶金工業中得到廣泛應用。但在乾式料的使用過程中發現，特別是在烘烤制度不完善的情況下，容易發生大面積坍塌和局部剝落的現象。為此，本文對中間包幹式料在十幾個鋼廠的使用情況進行了跟蹤，綜合分析得出導致乾式料坍塌和剝落的主要原因是中溫強度差、韌性差和透氣性能差。針對這一情況，本文著重研究了如何提高幹式料在烘烤過程中的中溫強度，增強其韌性以及如何改善乾式料的透氣性，以解決乾式料的坍塌和剝落的問題。
試 驗
試驗所用的主要原料為電熔鎂砂、有機結合劑或酚醛樹脂、硼酸、玻璃纖維、烏洛託品。以電熔鎂砂為骨料和基質。骨料與基質料的質量比為65∶35，包括5～3mm，3～1mm，1～0mm和0.088mm細粉四級配料。加入結合劑，燒結劑等幹混後，在40×40×160(mm)模具中振動成型，成型後將試樣連同模具一起放入烘箱於300℃左右烘烤，冷卻後脫模即可。然後將試樣分別在450℃×2h、500℃×2h、600℃×2h、700℃×2h、800℃×2h、900℃×2h、1000℃×2h條件下加熱處理(加熱在自製的爐子內進行，以煤氣為加熱源，模擬中間包幹式料現場烘烤環境)。測定試樣熱處理後的耐壓強度，以評定試樣的結合性能和燒結性能。測定試樣熱處理前後的尺寸變化百分率，以評定試樣的高溫體積穩定性。
結果與分析
2.1中溫強度的提高
乾式料在低溫烘烤脫模後需要繼續加熱至1000℃以上方可投入使用。鎂砂具有較高的燒結性溫度，在1000℃左右是無法完成燒結的，這時乾式料料層的結合強度處於最低階段，易發生塌落與剝落現象。如何增強中溫強度成為首要解決的問題。
主結合劑的選擇
無論是採用樹脂還是其他有機結合劑，均存在一個熱分解過程。以最常用的酚醛樹脂為例，熱分解在500～800℃最為激烈，乾式料料層強度散失最大。由於各種有機結合劑熱分解速率不同，強度散失的快慢和最終碳化殘餘強度也有所區別。以熱分解速率過快或殘碳量低的有機物為結合劑的乾式料發生塌包的可能性很大，因此選擇熱分解溫度靠後、各溫度階段分解量較平穩的有機結合劑。從圖1可以看出，不同種類的酚醛樹脂的熱分解速率差別是比較大的。無論是各分解溫度點還是產生的氣體量，選擇高殘碳樹脂和2123樹脂均對乾式料烘烤影響小。
圖1 不同種類酚醛樹脂的熱分解曲線
結合劑殘碳率的提高
在主結合劑確定後，提高殘碳率也能改善灼燒後料層的結合強度，常用的方法是添加抗氧化劑，如金屬Al粉和Si粉等。它們優先與氧氣反應形成碳化物或氧化物，延緩了結合劑的氧化，並伴有體積膨脹，堵塞或填充氣孔而使乾式料層緻密化，從而提高了料層的灼燒殘餘強度。表1是添加金屬Al粉、Si粉及二者複合的乾式料樣塊(沒加任何燒結劑)在還原氣氛下經1000℃灼燒2h後的強度變化。試驗結果表明:在乾式料中添加抗氧化劑能明顯提高製品的中溫強度，原因可能是優先生成了SiC與Al2O3，而添加Al粉的效果最好。從性價比方面考慮，兩者複合是首選。
表1 抗氧化劑對乾式料1000℃處理後耐壓強度的影響
燒結劑的合理利用
李友勝教授等的研究表明，硼酸、硼砂和硼酸鹽玻璃均能促進鎂質材料的中溫燒結，使乾式料具有較好的中溫結合強度[1]。這主要是由於硼酸於450℃形成熔融的B2O3玻璃，硼砂於741℃左右熔化形成Na2O-B2O3系玻璃，而硼酸鹽玻璃的軟化點約800℃。硼砂含有10個結晶水，在加熱脫水產生結合強度的同時，也易導致乾式料層結構疏鬆，對抗侵蝕性能不利。硼酸鹽玻璃軟化產生強度的溫度靠後，因此，選擇硼酸作為中溫燒結劑。硼酸過量會使中間包幹式料發生過燒結，使用後不易翻包清理，為避免此現象，加入量應控制在0.1%～1%之間。在乾式料大火烘烤時間特別長的環境下，中溫燒結劑的重要性更為突出，因為在此條件下，乾式料表層有機結合劑已燃燒完全，失去了結合強度，乾式料極易發生表層剝落現象。
2.2玻璃纖維的增強作用
與中間包鎂質塗料不同，乾式料屬非水系材料，採用機械振動施工，其內又沒有加紙纖維或有機纖維，與塗料相比，乾式料體積密度高，強度好，但缺乏韌性。為解決此問題，引入適量無鹼玻璃纖維。通過玻璃纖維的增強，實現了以下三種效果:
(1)即使中間包大火快速烘烤(烘烤時間縮短1/3)，乾式料塌落的現象也得以避免;
(2)300℃帶模成型烘烤，即使時間延長，乾式料層和永久層也不致於出現分離縫;
(3)乾式料表層中玻璃纖維在高溫下熔融，能起到燒結劑作用，可以少加或不加中溫燒結劑。
在脆性的乾式料層中加入纖維材料，則纖維能承受部分材料內部應力，阻止或延緩微裂縫的發展。料層破壞之前其所受之拉力由纖維與料層共同分擔，當料層開裂後，應力則由料層傳遞至鄰近的纖維上，當拉力繼續增加時，此時材料將從纖維破壞，其破壞形式有三種:
(1)拉力破壞當纖維所受拉力大於纖維與料層的黏合力時，纖維即被拉脫;
(2)拉斷破壞料層開裂後，纖維所受拉力低於纖維與料層的黏合力，但卻超過纖維抗拉強度，纖維則遭到拉斷破壞;
(3)剪切破壞纖維混凝土承受剪力時剪力由料層與纖維共同分擔，剪應力由料層傳遞至纖維使得纖維遭到剪力剪斷破壞。
添加1%玻璃纖維的試樣在不同溫度下強度衰減率情況見圖2。從圖2中可看出:在500～800℃間，加玻璃纖維和不加的試樣由於樹脂或其他有機結合劑的熱分解均出現了強度銳減，但加入玻璃纖維的試樣銳減程度比不加的都小一些。隨著溫度升高，兩者強度衰減逐步接近，直至1000℃左右基本相同，但加入玻璃纖維的試樣銳減程度仍比未加的乾式料小。說明玻璃纖維雖然在溫度高時會發生脆性致使強度散失，但500～800℃間仍有助於強度提高。況且在中間包幹式料現場運用時，貼近永久層的乾式料溫度要比表層溫度低得多，所以強度衰減也要小一些，其抗拉斷、剪切破壞的效果也要好於外層。
圖2 乾式料試樣不同溫度下的抗折強度衰減率
2.3 透氣性能的改善
乾式料烘烤過程中早期剝落與升溫速率過快有直接關係，原因就是料層中結合劑受熱快速分解產生氣體膨脹，這種氣體量雖沒有鎂質塗料產生的水汽量大，但其體積密度比塗料大，如不注重也足以導致乾式料呈層狀剝落。
從原材料控制方面考慮:首選裂解速度較平緩的結合劑，分解產生的氣體量儘可能少。就樹脂而言，改性樹脂雖然在價格方面具有優勢，但在裂解前期產生的氣體量明顯比2123樹脂大得多，比較容易發生坍塌和剝落現象。
從防爆性能方面考慮:與澆注料相同的道理，引入一些可以導通氣道的防爆纖維，讓裂解產生的氣體快速排出，緩解內部應力。經試驗表明加入有機纖維後，帶模烘烤後的乾式料層出現裂縫的機會大為減少，大火烘烤前期爆落的現象也得以消除。應當指出的是，玻璃纖維在受熱時會發生一定的體積收縮，也能起到防爆作用。因此，在加入玻璃纖維後可以少加甚至不加防爆纖維，同樣達到讓裂解氣體快速逸出的目的。
2.4 胎模傾斜度和烘烤制度
影響乾式料坍塌和剝落的因素，除了乾式料本身，鋼廠現場方面的因素也很關鍵。在乾式料使用情況的跟蹤中發現:正常施工下，即使相同材質、相同批次的產品，在一個鋼廠使用情況良好，而在另一個鋼廠卻頻繁出現坍塌現象。分析其原因，有可能是乾式料層的傾斜程度不合理和烘烤制度不完善造成的。圖3列舉了典型的中間包幹式料大火烘烤曲線。
圖3 典型的中間包幹式料大火烘烤曲線
在澆注永久層時如果考慮到工作層而適當加大傾斜度，使工作層重心下移，那麼乾式料發生坍塌的機率將大為減少。或者在設計中間包幹式料胎模時多些傾斜，也能降低坍塌的機率。特別是大容積、大噸位的中間包，高度高，在設計永久層胎模和工作層胎模時預先考慮這個問題，針對易發生坍塌的部位，如衝擊區對面，適當增加些傾斜度，對抑制大火快速烘烤和乾式料質量波動造成的料層塌落現象均有幫助。
結 論
(1)在乾式料中引入玻璃纖維，增強其韌性，阻止或延緩微裂縫的發展，減小強度銳減率，有效改善了乾式料抗坍塌和剝落能力。特別適用於鋼廠緊急調用備用中間包的特殊情況。
(2)選擇裂解速度較平緩的結合劑，儘可能減少氣體的產生，同時加入防爆纖維，改善乾式料的透氣性，可以有效改善乾式料坍塌和剝落的問題。
(3)複合添加抗氧化劑Al粉和Si粉提高殘碳率和加入硼酸促進鎂砂燒結，提高幹式料的中溫強度，可有效改善乾式料坍塌和剝落的問題。
(4)在設計永久層和工作層胎模時針對易發生坍塌的部位加大傾斜度，也可明顯減少乾式料實際使用中的坍塌現象。
嚴培忠， 翁小燕， 吳開道， 唐 寧， 葉小星， 蔣新興
浙江紅鷹集團股份有限公司
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