中间包干式料易塌包或局部剥落？试试提高这3个性能
试 验
试验所用的主要原料为电熔镁砂、有机结合剂或酚醛树脂、硼酸、玻璃纤维、乌洛托品。以电熔镁砂为骨料和基质。骨料与基质料的质量比为65∶35，包括5～3mm，3～1mm，1～0mm和0.088mm细粉四级配料。加入结合剂，烧结剂等干混后，在40×40×160(mm)模具中振动成型，成型后将试样连同模具一起放入烘箱于300℃左右烘烤，冷却后脱模即可。然后将试样分别在450℃×2h、500℃×2h、600℃×2h、700℃×2h、800℃×2h、900℃×2h、1000℃×2h条件下加热处理(加热在自制的炉子内进行，以煤气为加热源，模拟中间包干式料现场烘烤环境)。测定试样热处理后的耐压强度，以评定试样的结合性能和烧结性能。测定试样热处理前后的尺寸变化百分率，以评定试样的高温体积稳定性。
结果与分析
2.1中温强度的提高
干式料在低温烘烤脱模后需要继续加热至1000℃以上方可投入使用。镁砂具有较高的烧结性温度，在1000℃左右是无法完成烧结的，这时干式料料层的结合强度处于最低阶段，易发生塌落与剥落现象。如何增强中温强度成为首要解决的问题。
①主结合剂的选择
无论是采用树脂还是其他有机结合剂，均存在一个热分解过程。以最常用的酚醛树脂为例，热分解在500～800℃最为激烈，干式料料层强度散失最大。由于各种有机结合剂热分解速率不同，强度散失的快慢和最终碳化残余强度也有所区别。以热分解速率过快或残碳量低的有机物为结合剂的干式料发生塌包的可能性很大，因此选择热分解温度靠后、各温度阶段分解量较平稳的有机结合剂。从图1可以看出，不同种类的酚醛树脂的热分解速率差别是比较大的。无论是各分解温度点还是产生的气体量，选择高残碳树脂和2123树脂均对干式料烘烤影响小。
②结合剂残碳率的提高
在主结合剂确定后，提高残碳率也能改善灼烧后料层的结合强度，常用的方法是添加抗氧化剂，如金属Al粉和Si粉等。它们优先与氧气反应形成碳化物或氧化物，延缓了结合剂的氧化，并伴有体积膨胀，堵塞或填充气孔而使干式料层致密化，从而提高了料层的灼烧残余强度。表1是添加金属Al粉、Si粉及二者复合的干式料样块(没加任何烧结剂)在还原气氛下经1000℃灼烧2h后的强度变化。试验结果表明:在干式料中添加抗氧化剂能明显提高制品的中温强度，原因可能是优先生成了SiC与Al2O3，而添加Al粉的效果最好。从性价比方面考虑，两者复合是首选。
③烧结剂的合理利用
李友胜教授等的研究表明，硼酸、硼砂和硼酸盐玻璃均能促进镁质材料的中温烧结，使干式料具有较好的中温结合强度[1]。这主要是由于硼酸于450℃形成熔融的B2O3玻璃，硼砂于741℃左右熔化形成Na2O-B2O3系玻璃，而硼酸盐玻璃的软化点约800℃。硼砂含有10个结晶水，在加热脱水产生结合强度的同时，也易导致干式料层结构疏松，对抗侵蚀性能不利。硼酸盐玻璃软化产生强度的温度靠后，因此，选择硼酸作为中温烧结剂。硼酸过量会使中间包干式料发生过烧结，使用后不易翻包清理，为避免此现象，加入量应控制在0.1%～1%之间。在干式料大火烘烤时间特别长的环境下，中温烧结剂的重要性更为突出，因为在此条件下，干式料表层有机结合剂已燃烧完全，失去了结合强度，干式料极易发生表层剥落现象。
2.2玻璃纤维的增强作用
与中间包镁质涂料不同，干式料属非水系材料，采用机械振动施工，其内又没有加纸纤维或有机纤维，与涂料相比，干式料体积密度高，强度好，但缺乏韧性。为解决此问题，引入适量无碱玻璃纤维。通过玻璃纤维的增强，实现了以下三种效果:
(1)即使中间包大火快速烘烤(烘烤时间缩短1/3)，干式料塌落的现象也得以避免;
(2)300℃带模成型烘烤，即使时间延长，干式料层和永久层也不致于出现分离缝;
(3)干式料表层中玻璃纤维在高温下熔融，能起到烧结剂作用，可以少加或不加中温烧结剂。
在脆性的干式料层中加入纤维材料，则纤维能承受部分材料内部应力，阻止或延缓微裂缝的发展。料层破坏之前其所受之拉力由纤维与料层共同分担，当料层开裂后，应力则由料层传递至邻近的纤维上，当拉力继续增加时，此时材料将从纤维破坏，其破坏形式有三种:
(1)拉力破坏当纤维所受拉力大于纤维与料层的黏合力时，纤维即被拉脱;
(2)拉断破坏料层开裂后，纤维所受拉力低于纤维与料层的黏合力，但却超过纤维抗拉强度，纤维则遭到拉断破坏;
(3)剪切破坏纤维混凝土承受剪力时剪力由料层与纤维共同分担，剪应力由料层传递至纤维使得纤维遭到剪力剪断破坏。
添加1%玻璃纤维的试样在不同温度下强度衰减率情况见图2。从图2中可看出:在500～800℃间，加玻璃纤维和不加的试样由于树脂或其他有机结合剂的热分解均出现了强度锐减，但加入玻璃纤维的试样锐减程度比不加的都小一些。随着温度升高，两者强度衰减逐步接近，直至1000℃左右基本相同，但加入玻璃纤维的试样锐减程度仍比未加的干式料小。说明玻璃纤维虽然在温度高时会发生脆性致使强度散失，但500～800℃间仍有助于强度提高。况且在中间包干式料现场运用时，贴近永久层的干式料温度要比表层温度低得多，所以强度衰减也要小一些，其抗拉断、剪切破坏的效果也要好于外层。
2.3 透气性能的改善
干式料烘烤过程中早期剥落与升温速率过快有直接关系，原因就是料层中结合剂受热快速分解产生气体膨胀，这种气体量虽没有镁质涂料产生的水汽量大，但其体积密度比涂料大，如不注重也足以导致干式料呈层状剥落。
从原材料控制方面考虑:首选裂解速度较平缓的结合剂，分解产生的气体量尽可能少。就树脂而言，改性树脂虽然在价格方面具有优势，但在裂解前期产生的气体量明显比2123树脂大得多，比较容易发生坍塌和剥落现象。
从防爆性能方面考虑:与浇注料相同的道理，引入一些可以导通气道的防爆纤维，让裂解产生的气体快速排出，缓解内部应力。经试验表明加入有机纤维后，带模烘烤后的干式料层出现裂缝的机会大为减少，大火烘烤前期爆落的现象也得以消除。应当指出的是，玻璃纤维在受热时会发生一定的体积收缩，也能起到防爆作用。因此，在加入玻璃纤维后可以少加甚至不加防爆纤维，同样达到让裂解气体快速逸出的目的。
2.4 胎模倾斜度和烘烤制度
影响干式料坍塌和剥落的因素，除了干式料本身，钢厂现场方面的因素也很关键。在干式料使用情况的跟踪中发现:正常施工下，即使相同材质、相同批次的产品，在一个钢厂使用情况良好，而在另一个钢厂却频繁出现坍塌现象。分析其原因，有可能是干式料层的倾斜程度不合理和烘烤制度不完善造成的。图3列举了典型的中间包干式料大火烘烤曲线。
在浇注永久层时如果考虑到工作层而适当加大倾斜度，使工作层重心下移，那么干式料发生坍塌的机率将大为减少。或者在设计中间包干式料胎模时多些倾斜，也能降低坍塌的机率。特别是大容积、大吨位的中间包，高度高，在设计永久层胎模和工作层胎模时预先考虑这个问题，针对易发生坍塌的部位，如冲击区对面，适当增加些倾斜度，对抑制大火快速烘烤和干式料质量波动造成的料层塌落现象均有帮助。
结 论
(1)在干式料中引入玻璃纤维，增强其韧性，阻止或延缓微裂缝的发展，减小强度锐减率，有效改善了干式料抗坍塌和剥落能力。特别适用于钢厂紧急调用备用中间包的特殊情况。
(2)选择裂解速度较平缓的结合剂，尽可能减少气体的产生，同时加入防爆纤维，改善干式料的透气性，可以有效改善干式料坍塌和剥落的问题。
(3)复合添加抗氧化剂Al粉和Si粉提高残碳率和加入硼酸促进镁砂烧结，提高干式料的中温强度，可有效改善干式料坍塌和剥落的问题。
(4)在设计永久层和工作层胎模时针对易发生坍塌的部位加大倾斜度，也可明显减少干式料实际使用中的坍塌现象。
严培忠， 翁小燕， 吴开道， 唐 宁， 叶小星， 蒋新兴
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