假颗粒现象及其对再生铝镁碳制品性能的影响

范 兵,吴芸芸,石 川,梁永和,聂建华

(武汉科技大学耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地,湖北武汉,430081)

假颗粒现象及其对再生铝镁碳制品性能的影响

范 兵,吴芸芸,石 川,梁永和,聂建华

(武汉科技大学耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地,湖北武汉,430081)

对用后铝镁碳砖再生颗粒料的组成和结构特点进行显微分析,并通过改变混料方式以及不同粒度再生料的加入量研究假颗粒对再生铝镁碳制品结构与性能的影响。结果表明:用后铝镁碳砖再生料中含有约40%与废砖相组成和结构相似、骨料与基质并存于同一颗粒的二次颗粒,即所谓的“假颗粒”,假颗粒的组成、结构及外形的均匀程度均远不如一次骨料颗粒;混碾可使用后铝镁碳砖再生料中假颗粒发生二次破碎,且粒度越大,发生二次破碎的颗粒数量越多;假颗粒二次破碎导致再生制品的粒度组成发生改变,进而影响其密度和耐压强度。

用后耐火材料;回收利用;假颗粒;再生铝镁碳砖

冶金企业每年产生大量的用后耐火材料,这些材料废弃后不仅污染环境,而且造成资源浪费,因此,用后耐火材料的回收利用正日益受到政府和企业的重视[1-4]。对用后耐火材料进行除尘、除渣、除铁等处理后,可以将其破碎为二次颗粒用来生产再生制品,但由于骨料与基质没有完全分离或者发生蚀变而与原砖纯原料颗粒性态产生差异,部分二次颗粒会成为所谓的“假颗粒”[5-6]。本文对钢包用后铝镁碳砖再生料(即二次颗粒)的组成和结构特点进行研究,并以其为主要原料,通过改变混料方式及不同粒度再生料的加入量探讨了假颗粒对再生制品性能的影响。

1 试验

1.1 原料

本试验所用原料包括:国内某钢厂钢包用后铝镁碳砖再生料,其粒度和主要化学组成如表1所示;特级矾土(w(A l2O3)≥88.6%,粒度级别与再生料相同);粒度小于0.088 mm的电熔镁砂细粉(w(M gO)≥96.2%)、鳞片状石墨(w(C)≥93.6%)及碳化硅等。结合剂采用热固性酚醛树脂,其黏度(25℃)为1.43 Pa·s、固含量为72%、残炭量为44.4%。

表1 再生料的粒度及主要化学组成Table 1 Granularity and chem ical compositionsof renewable materials

1.2 配方和试样制备

根据Andreassen公式计算粒度组成(q取0.39),并以此作为再生铝镁碳砖试样的物料级配依据。通过改变混料方式(混碾和机械搅拌)及不同粒度再生料的加入量研究假颗粒对再生制品性能的影响,试样的配料组成如表2所示,其中镁砂和石墨的配入量根据树脂结合铝镁碳砖标准(YB/T165—1999)中M gO和C的含量,并结合各级再生料中M gO和C的含量,通过计算得到。将试验原料按表2配料外加3.5%的热固性酚醛树脂,经混料、成型和热处理得到再生铝镁碳砖试样。

1.3 分析测试

将粒度大于0.088 mm的再生颗粒料制备成光片用于显微分析。采用 Philip公司生产的XL 30W/TM P型扫描电子显微镜对再生料和再生试样进行显微观察和假颗粒数量统计分析。按GB/T 2997—1982对试样的显气孔率和体积密度进行测定,按GB/T 3997.2—1998对试样的常温耐压强度进行测定。

表2 试样的配料组成(wB/%)Table 2 Compositionsand ratios of burdening

2 结果与分析

2.1 假颗粒的组成与结构特征

图1为用后铝镁碳砖再生颗粒料显微结构。从图1中可以看出,各级再生料中除部分基本保持原砖骨料形态的颗粒外,其余颗粒特征均为骨料与基质并存,呈现出相组成复杂、结构中微孔和裂隙明显增加的现象。这显然是由于在用后废砖破碎过程中原砖骨料颗粒与周围基质的结合没有被完全破坏而形成的,这种完全不同于原砖骨料颗粒(一次颗粒)、而与废砖相组成和结构有关、骨料与基质共存的二次颗粒,就是所谓的“假颗粒”。

图1 用后铝镁碳砖再生颗粒的显微结构Fig.1 M icrostructure of renewable particles crushed from the used Al2O3-MgO-C bricks

事实上,假颗粒不仅相组成复杂(同时含有骨料和基质,有的颗粒中还夹杂着蚀变相)、孔隙有所增加,而且其颗粒外形的不规则程度也在增大。图2为用后铝镁碳砖再生料中几种典型颗粒的显微照片,其中只有图2(a)中呈现的是基本保持原砖中骨料形态的矾土颗粒(边缘已出现明显的反应带),而图2(b)～图2(d)中呈现的颗粒均为假颗粒,显然,假颗粒的形态有多种多样,尤其是图2(d)中的颗粒,其形状极其不规则。

假颗粒与一次颗粒在组成、结构及外形上均存在较大差异,且测试表明各级再生料中含有近40%的假颗粒,因此,相当数量假颗粒的存在极有可能影响再生制品的性能。

2.2 再生铝镁碳制品的显微结构

图3为采用部分再生料(以表2中试样S0的配比为基础,将骨料中再生料与矾土配比调整为1∶1)制备的铝镁碳砖试样的显微结构。从图3中可以看出,再生铝镁碳砖的整体结构比较均匀、致密程度也比较好,再生料颗粒与基质结合情况良好,没有明显的结构缺陷。

但是,在再生铝镁碳砖试样中偶尔能够见到发生二次破碎的假颗粒(见图4),即在骨料颗粒内部和边缘形成了较多裂纹和孔隙,使整个颗粒碎裂成为更小的颗粒,这应当是假颗粒中的骨料颗粒在之前的使用过程中产生了热震裂纹,在再生试样成型过程中由于压力的作用,此骨料颗粒沿热震裂纹发生碎裂。从结构上看,假颗粒中的这种二次破碎现象会对再生制品的致密性和强度产生一定的影响。

2.3 再生料粒度对再生试样常温性能的影响

图5为再生试样的常温性能检测结果。为了避免混碾造成再生颗粒料的二次破碎,本组试验采用机械搅拌混料方式。

从图5中可以看出,用再生料替代全部矾土的试样S1的耐压强度明显低于不含再生料试样S0的耐压强度,二者相差13 M Pa,这表明全部使用再生料制备的再生铝镁碳制品强度偏低,很难达到铝镁碳标砖的强度要求。试样S4和S7的耐压强度(约为49 M Pa)最高,比试样S0的耐压强度还高出4 M Pa,并且这两个试样的显气孔率与试样S0的相近,其偏差不大于0.5个百分点,这表明再生料以粗、中颗粒方式加入有利于提高再生铝镁碳制品的耐压强度。在所有试样中,试样S6的显气孔率(8.7%)最低,比试样S0的显气孔率低1.7个百分点,这表明再生料以中、细颗粒方式加入时,其物料形态及粒度组合可能最有利于实现再生铝镁碳制品的颗粒紧密堆积。

图2 再生颗粒的几种典型形态Fig.2 Several typicalmorphologies of renewable particles

图3 再生铝镁碳制品的显微结构Fig.3 M icrostructure of reproductive Al2O3-MgO-C product

图4 再生制品中发生二次破碎的假颗粒Fig.4 Broken pseudo-particle in renewable sample

图5 再生铝镁碳制品的常温性能Fig.5 Propertiesof reproductive Al2O3-MgO-C products

2.4 混料方式对再生试样常温性能的影响

按试样S0和S1的配比方案进行配料后,分别采用混碾和机械搅拌两种方式进行混料。表3为采用不同混料方式制备的试样常温性能指标。

表3 混料方式对再生铝镁碳制品性能的影响Table 3 Effect of m ixing ways of materials on properties of reproductive Al2O3-MgO-C products

从表3中可以看出,两种不同的混料方式对试样的各项性能指标产生了明显的影响。对于不含再生料的试样S0,混碾作为树脂结合含碳制品的混料方式的优势得以充分体现,与机械搅拌方式相比,混碾方式不仅使试样S0的耐压强度提高了4 M Pa,而且使其显气孔率降低了2.8个百分点。然而对于再生试样S1,虽然混碾方式使其耐压强度得到更大幅度的提高,但其显气孔率却增加了2.1个百分点。为了分析再生试样S1产生上述现象的原因,对混碾后的物料进行处理并作筛分,所得结果列于表4。

表4 混碾前后各级骨料粒度组成(wB/%)Table 4 Compositionsof aggregate size beforeand after m ixingm ill

从表4中可以看出,不含再生料试样S0混碾后的粒度组成有所改变,其中5～3 mm粒级的颗粒含量减少,3～1 mm、1～0.088 mm粒级的颗粒含量增多,这显然是因为物料中部分粗颗粒在混碾时被压碎而使粒度细化。至于试样S0经混碾后3级骨料总量增加5.1个百分点,主要是由于混碾后试样的脱酯处理不够干净(颗粒表面残留少量细粉)所致。

相对于试样S0,混碾对再生试样S1粒度组成的影响要大得多。比较混碾前后S1试样的骨料粒度组成,其中5～3 mm粒级再生料含量大幅减少10.6个百分点(相对变化幅度接近60%),显然,这种变化应当是源于粗颗粒再生料在混碾过程中的二次破碎。就5～3 mm粒级再生料而言,其中保持原砖骨料形态的颗粒冷态强度不会低于假颗粒,而再生料中假颗粒含量仅约40%,因此大部分甚至全部假颗粒均可能发生二次破碎,并且还会有部分保持原砖骨料形态的再生颗粒也发生二次破碎。另外,混碾前后3～1 mm粒级再生料的含量变化不大,仅略减0.8个百分点,而1～0.088 mm粒级再生料的含量增加9.6个百分点(相对变化幅度接近30%),再结合混碾后试样S1的3级骨料总量略有减少,基本可以断定3～1 mm,甚至1～0.088 mm粒级再生颗粒料也会发生二次破碎,但明显较5～3 mm粒级再生料发生二次破碎的颗粒数量少。

结合表3和表4中的试验结果,可以进一步明确假颗粒对再生试样性能的影响。全部采用再生料并采用机械搅拌方式混料的试样S1耐压强度最低,这是因为搅拌混料方式下,假颗粒很少发生二次破碎,而在耐压强度检测时则表现出其强度缺陷;混碾虽然使假颗粒的强度缺陷在混料过程中得到释放,使试样S1的耐压强度由32 M Pa升至46 M Pa,但是过多的假颗粒二次破碎,导致其显气孔率由9.2%升至11.3%。

在用后铝镁碳砖或含碳耐火材料的回收利用过程中,通过混碾方式去除再生料中的假颗粒或消除假颗粒的结构缺陷以获得结构与强度更好的二次再生料,有利于制备性能优良的再生制品。

3 结论

(1)用后铝镁碳砖再生料中含有约40%与废砖相组成和结构相似、骨料和基质并存的假颗粒,其组成、结构及外形的均匀程度均远不如一次骨料颗粒。

(2)混碾可使用后铝镁碳再生料中假颗粒发生二次破碎,且粒度越大,发生二次破碎的颗粒数量越多。

(3)假颗粒二次破碎导致试样粒度组成发生改变,进而影响试样的密度和耐压强度。

[1] 田守信.用后耐火材料的再生利用[J].耐火材料, 2002,36(6):339-341.

[2] 李光辉.日本耐火材料的回收利用[J].耐火材料, 2001,35(2):75-78.

[3] Eschner A.ECO-management of refracto ry in Europe[C]//Proceedingsof UN ITECR’03.Osaka,Japan,2003:5-12.

[4] Smith J D,Peaslee K D.Spent refracto ry waste recycling from non-ferrous metals manufacturers in M issouri[C]//Proceedings of Fourth InternationalSymposium on Recycling of Metals and Engineered Materials.Warrendale,Pennsylvania:The M inerals,Metals&Materials Society,2000:22-25.

[5] 尚鹏钢.含碳半成品废砖回收利用方法研究[J].四川冶金,2008,30(2):64-65.

[6] 赵云松,鲍中诚,王炎平,等.利用含碳废砖生产钢包用镁碳砖和铝镁碳砖[J].耐火材料,2007,41 (1):59-60,67.

Pseudo particles phenomenon and its effect on properties of reproductive Al2O3-MgO-C bricks

Fan B ing,W u Yunyun,Shi Chuan,L iang Yonghe,N ie Jianhua
(The State Key Laborato ry Breeding Base of Refractories and Ceramics,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

The microstructure and compositions of the renewable particles crushed from the used A l2O3-M gO-C bricks were analyzed.The effect of pseudo particles on the p roperties of rep roductive A l2O3-M gO-C brickswas studied by changing themixture of materials and the addition of the renewable particles.The results show that the compositions and structure of about 40%of the rep roductive A l2O3-M gO-C particles,or pseudo particles,are similar w ith those of the used bricks,and pseudo particles are secondary ones formed by aggregate and matrix.The compositions,structure and appearance of p seudo particles are far different from those of p rimary aggregate particles.By m ixing,p seudo particles in the rep roductive A l2O3-M gO-C particles are re-crushed;and the bigger the grain size is, the higher the quantity of the re-crushed particles is.The re-crushing of pseudo particles w ill lead to the change in grain composition and further influence the density and strength of the samp les.

used refractory;recycling;pseudo particle;rep roductive alumina magnesia carbon brick

TQ175

A

1674-3644(2010)06-0609-05

[责任编辑 尚 晶]

2010-05-24

范 兵(1984-),男,武汉科技大学硕士生.E-mail:xinxuc310@yahoo.com.cn

吴芸芸(1956-),女,武汉科技大学副教授.E-mail:naihw yy@126.com