1 引 言

干式搗打料是由一定顆粒級(jí)配的耐火骨料、粉料、結(jié)合劑和外加劑組成的用人工或機(jī)械方法搗打施工， 并在一定溫度下硬化的不定形耐火材料，多用作感應(yīng)爐爐襯材料。無(wú)芯中頻感應(yīng)爐用干式搗打料分酸性、堿性和中性三類。無(wú)芯感應(yīng)爐由于具有升溫能力強(qiáng)、可間歇作業(yè)、爐襯費(fèi)用低、使用靈活方便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于鑄造行業(yè)，是國(guó)內(nèi)鑄造企業(yè)熔化鐵和有色金屬或熔液保溫的主要設(shè)備。目前，許多感應(yīng)爐的爐 襯材料采用硅質(zhì)干式搗打料。 

干式搗打料呈松散狀，成型之前無(wú)粘結(jié)性，只有以振動(dòng)或強(qiáng)力搗打才可獲得密實(shí)的結(jié)構(gòu)使得粒度分布 ( 合理級(jí)配) 成為影響其性能的重要因素之一。爐襯作為感應(yīng)爐的重要組成部分，不但直接影響熔煉金屬的質(zhì)量，而且還影響其生產(chǎn)成本，因而爐襯材料的選擇是十分重要的。硅砂與中性和堿性耐火材料材料相比，價(jià)格低廉，目前以硼酸為燒結(jié)劑的硅質(zhì)干式搗打爐料使用十分廣泛，石英材料具有耐高溫、低導(dǎo)熱及低熱膨脹( α = 0． 54 × 10 － 6℃ － 1 ) 等性能特點(diǎn)，但是硅質(zhì)材料在高溫下存在較復(fù)雜的晶型轉(zhuǎn)變，因而要考 慮加入硅砂的粒度組成以及結(jié)合劑的種類對(duì)材料高溫性能的影響。從 SiO2-B2O3 相圖看，B2O3 的加入量以 小于 2% 為宜。隨著原料顆粒粒度的增大，燒后硅質(zhì)材料的耐壓強(qiáng)度增大，因而搗打料中加入硅砂的粒度適當(dāng)大些。這些因素都會(huì)對(duì)燒后硅質(zhì)干式搗打料的試樣性能有所影響。本文針對(duì)現(xiàn)有硅質(zhì)干式搗打料使 用存在組成不合理、結(jié)合劑的選擇較多等問(wèn)題，研究不同原料的粒度組成、結(jié)合劑的種類對(duì)材料性能的影響， 確定材料合適的顆粒級(jí)配及.佳的結(jié)合劑。

2 實(shí) 驗(yàn)

采用的原料為分別為 3 ～ 1 mm、≤1 mm 和≤0． 053 mm 粒度的石英砂( wSiO2 = 99． 53% ) 和工業(yè)級(jí)純度 的硅微粉、硼酸、氧化硼、偏硅酸鈉( 0． 5 ～ 1 mm) 、氧化鈣。硅質(zhì)干式料的配比組成見表 1。按表 1 的配比準(zhǔn)確稱料，干混勻后導(dǎo)入模具中手工搗打成型。將成型好的試樣分別在 1500 ℃ 和 1550 ℃ 下保溫 3 h 脫模。 以 S3 試樣的顆粒級(jí)配為基準(zhǔn)，加入不同結(jié)合劑試樣的配比如下表 2 所示。1500 ℃ 和 1550 ℃ 燒后試樣分別 按 GB /T 5988-2007、GB /T 2997-2000 和 GB /T 5027-2008 測(cè)量..線變化、顯氣孔率和耐壓強(qiáng)度，用 X 射線 衍射儀進(jìn)行物相分析。

3 結(jié)果與討論

圖 1 是試樣經(jīng)過(guò)不同溫度燒后的性能圖。從圖 1a 和 b 可以看出，不同粒度組成試樣在 1500 ℃ 燒后的 氣孔率明顯高于在 1550 ℃燒后試樣的氣孔率，S2 試樣在不同溫度燒后氣孔率和體積密度的變化較大; S3 試 樣的氣孔率在不同的溫度時(shí)與 S1、S2 相比有.小的顯氣孔率，有.大的體積密度。原因是: 隨著燒結(jié)溫度的高，顆粒燒結(jié)程度增加，顆粒與顆粒之間結(jié)合緊密。在相同燒結(jié)溫度時(shí)，S3 試樣的堆積更緊密，氣孔得到 更充分地填充。

圖 1c 給出了不同顆粒級(jí)配試樣經(jīng)過(guò) 1500 ℃和 1550 ℃燒后的線變化率。從圖中可以看出，S2、S3 試樣 在 1500 ℃燒后的線變化率明顯比在 1550 ℃燒后的要低。在相同溫度燒后，這三組樣品中 S3 試樣的線變化率.小，線變化率分別為 7． 79% 和 8． 03% 。原因是: 顆粒中的石英相發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變需要較高一定的溫度，當(dāng) 燒結(jié)溫度高時(shí)，干式搗打料中已形成較多的液相，大顆粒體積膨脹會(huì)被液相吸收，降低了其膨脹率［10］。因此作為爐襯材料的石英砂，考慮高溫時(shí)體積穩(wěn)定性的影響，選擇 S3 試樣的粒度組成比較好。

圖 2a 和 b 分別是不同結(jié)合劑試樣在 1500 ℃和 1550 ℃燒后的顯氣孔率和體積密度。從圖中知道，1500 ℃時(shí) S20 試樣的顯氣孔率.低，體積密度.高。1550 ℃ 時(shí) S26 試樣的顯氣孔率.低，S29 的顯氣孔率.高。 S20 試樣在1500 ℃和1550 ℃的顯氣孔率相差較大。原因是在1500 ℃時(shí) S20 試樣中加的結(jié)合劑很好地促進(jìn)燒結(jié)，有利于試樣中氣孔的排出，提高材料的致密性。 圖 2c 是不同結(jié)合劑試樣在 1500 ℃和 1550 ℃燒后的線變化率。不同試樣燒成后，試樣的線變化率都為 正值，表現(xiàn)為體積膨脹。1500 ℃ 時(shí) S26 試樣的線膨脹率.高，為 8． 37% ，S20 的膨脹率.低，為 2． 69% 。 1550 ℃時(shí)線膨脹率.高為 S24，為 7． 5% ，S20 的膨脹率.低，為 5． 23% 。因此可以判斷出在粒度相同的情 況下 S20 試樣的結(jié)合劑在高溫時(shí)熔融形成的液相可以更好的降低顆粒晶型轉(zhuǎn)變帶來(lái)的膨脹。 圖 2d 是不同結(jié)合劑試樣在 1500 ℃和 1550 ℃燒后的耐壓強(qiáng)度。1500 ℃時(shí)耐壓強(qiáng)度.高的試樣是 S25， 為 10． 22 MPa，.小的的試樣為 S23，** 2． 07 MPa; 1550 ℃時(shí)耐壓強(qiáng)度.高的是 S20，為 9． 936 MPa，.小的 仍是試樣是 S23，** 2． 27 MPa。 S22 與 S21 相比，兩者燒后顯氣孔率和體積密度沒(méi)有大的變化，但 S22 的線變化率和耐壓強(qiáng)度比 S21 高 一些，這可能是因?yàn)殡S著 B2O3 的加入量增加促進(jìn)了石英的燒結(jié)，而石英燒結(jié)過(guò)程中會(huì)有較復(fù)雜的相變，伴 隨著一定量的體積膨脹，表現(xiàn)為線變化率大，而促進(jìn)燒結(jié)會(huì)使試樣的耐壓強(qiáng)度增加。 通過(guò) S21、S23、S24、S25 試樣的對(duì)比，后三者的體積密度與前者沒(méi)有多大差別，顯氣孔率、線變化率和耐壓強(qiáng)度較前者有所上升。偏硅酸鈉可以作為石英燒結(jié)過(guò)程中的粘結(jié)劑，其加入量增加促進(jìn)了石英砂燒結(jié)，使 試樣的耐壓強(qiáng)度有所增加，其顯氣孔率和線變化率的規(guī)律不是很明顯。 實(shí)驗(yàn)也加入 CaO 作為礦化劑，控制石英的晶型轉(zhuǎn)變。隨著 CaO 含量的增加，其顯氣孔率、線變化率、耐壓強(qiáng)度均有所變化，S27 較 S26 的耐壓強(qiáng)度有所增加，說(shuō)明 CaO 能控制 SiO2 的晶型轉(zhuǎn)變( 方石英向石英轉(zhuǎn) 變) ，使其向有利于其強(qiáng)度提高的方向發(fā)展。加入 SiO2 微粉能形成液相，促進(jìn)石英砂的燒結(jié)，但是隨著 SiO2微粉的加入，其強(qiáng)度有所降低，這可能是因?yàn)?SiO2 的引入在一定程度上改變了其晶型轉(zhuǎn)變，使其膨脹率高， 耐壓強(qiáng)度低。 圖 3 是試樣燒后物相組成分析圖。從圖 3a 中可以看出，1500 ℃ 時(shí) S20 試樣的主要物相是石英和方石 英，通過(guò)半定量分析，試樣中石英含量為 58% ，方石英含量為 42% ，石英向方石英轉(zhuǎn)化并不完全。圖 3b 是 1550 ℃時(shí) S20 試樣 XRD 圖譜，方石英峰比較多，通過(guò)半定量分析，石英含量為5% ，方石英含量為95% ，石英向方石英轉(zhuǎn)化比較完全。從 XRD 圖譜分析可知，1550 ℃ 膨脹率比 1500 ℃ 高些是因?yàn)槭⑾蚍绞⑥D(zhuǎn)化多，因此產(chǎn)生的膨脹率較高些; 1550 ℃時(shí)因?yàn)樵嚇又惺⑾蚍绞⑥D(zhuǎn)變的比較完全，試樣整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比較好，相比其他試樣擁有較高的耐壓強(qiáng)度。

2 不同結(jié)合劑試樣在 1500 ℃和 1550 ℃燒后性能( a) 顯氣孔率; ( b) 體積密度; ( c) 線變化率和( d) 耐壓強(qiáng)度

4 結(jié) 論

( 1) 經(jīng)過(guò) 1500 ℃和 1550 ℃燒后，試樣的線變化率、氣孔率、體積密度均有比較明顯的差別，說(shuō)明不同的顆粒緊密堆積程度影響較大，對(duì)制品的性能的影響也很大; ( 2) 試樣中含有較多的大顆粒，在燒結(jié)過(guò)程中可以減小試樣的膨脹率，其粒度分布符合緊密堆積原理， 細(xì)粉可以充分填充氣孔，降低氣孔率，提高制品的體積密度，從而使其耐壓強(qiáng)度偏高; ( 3) 結(jié)合劑在 1500 ℃ 和 1550 ℃ 生成液相后，能夠潤(rùn)濕顆粒表面，減少顆粒膨脹帶來(lái)的較大的線變化。2486 專題論文 硅 酸 鹽 通 報(bào) 第 34 卷 1550 ℃燒后試樣中石英向方石英轉(zhuǎn)變徹底，將具有較好的氣孔率和耐壓強(qiáng)度。