颗粒级配对低碳镁碳砖性能的影响

李琦 孙鹏

辽宁省检验检测认证中心（辽宁省产品质量监督检验院） 辽宁沈阳 110000

目前提高低碳砖抗热震能力研究主要是：①数值碳的增韧。结果表明，易碎玻璃碳结构是酚醛树脂碳化后形成的，二氧化碳树脂的纳米炭黑、碳纳米纤维、碳纳米管和在树脂中加入一定量的沥青，形成碳镶嵌结构，大大提高整体抗热震性；②加入金属粉末，通过碳化物的形成，氮化或镁铝主轴陶瓷相的热处理提高材料的强度，这种方法比第一种作用还要高，大概提高了10%，但通过调整颗粒级配来改善其力学性能和抗热震性能的研究从目前来看还很少[1]。

1 试验

1.1 原料

电熔镁砂、硅铝的合金以及石墨，结合剂选择的是型号为PF-5405的热塑性酚醛树脂。

1.2 试验过程

据Andreassen连续颗粒级配理论公式来计算。经计算设计的配比方案如表1所示，其中q值需在0．3至0．7之间，Q3即为0．3。选择的树脂是总质量的3%，加入的稀释剂酒精量是树脂的二分之一，加入的固化剂乌洛托品量是树脂量的8%。

表1 试验配方（w/%）

然后据表1配料，混合放入轮碾机里，等到十五分钟之后，就开始密封一天；选择压力大小为200MPa，进行单向加压，试样的大小为140毫米x25毫米x25毫米；再在200摄氏度的条件下固化一天；最后埋入石墨，并保持热处理的温度为1000摄氏度，保持三个小时。

1.3 对性能的检查

采用200mpa的压力，将一定重量的污泥压入35mm圆筒试样中，测量其中的高度，用圆筒容积除污泥重量，从而得出坯体的体积密度。根据GB/T2997-2000和GB/T3001-2000，对试样进行显气孔率、大体积密度和体温测试，在1000摄氏度的情况下对试样进行热处理，然后用蔡司扫描电镜观察了试样的微观结构。

抗热震性试验：将具有热震性的试验炉温度提高至1100摄氏度，保持半个小时，然后给一个覆盖有抗氧化涂层并经过200摄氏度固化的样品，在试验炉中放置一整天，在1100摄氏度的条件下保温十五分钟后快速取出，快速冷却水，测试其残余强度，并在牢固固定时测量其抗热震性能[2]。

2 结果

2.1 q值对生坯密实度的影响

从检测结果来看，生坯体积的密度是随着q值的增高而增高的。其中当q值范围在0．4至0．6时，密实度的变化很明显，并且q越大其密实度越高。当q值小于0．4或者大于0．6时，密实度则没有明显变化。

2.2 q值对与经过了1000摄氏度热处理后的样品力学性能的影响

通过测试发现，当q值增大，整个样品强度也增大，且粗颗粒越多性能越高。

2.3 显微结构的分析

图1为显微镜下经过1000摄氏度热处理后样品Q3经过热震后的结构照片。

图1 经1000摄氏度热处理的试样Q3热震后的显微结构照片

图像中有规则形状的镁颗粒，镁颗粒之间的基体由MgO细粉和树脂碳组成。在对其进行热震之后，一些氧化镁颗粒与基体之间出现一些裂纹（图像中虚线包围的区域），这表明裂纹的热冲击沿着氧化镁颗粒的周边扩散。

复合材料的断裂与界面的释放密切相关，低碳砖也是一种碳结合复合材料，碳结合与耐火材料颗粒的界面通常是产生和扩展热震裂纹重要途径[3]。如果是具有立方晶体结构的镁颗粒的人工排列，则可建立组织结构的简单模型。镁颗粒排列的1/2横向长度的位错，颗粒周围的暗部代表基体的连接区域，通过计算和分析裂纹穿透长度和颗粒提取界面，分析材料的抗热震性。如果颗粒边界长度为和，则截面总长度为8．5a；如果颗粒边界长度增加到2a，则截面总长度为8A，即当颗粒当量直径增加时，截止线的总长度应仅减少0．5。分离单个颗粒所需能量与颗粒输入表面成正比，即当当量粒径增大2倍时，插入横向长度增大2倍，插入面积增大4倍，即分离所需能量与当量直径的平方成正比。因此当粒径系数Q增大时，总颗粒数增加，简单总颗粒与基体的界面较大，断裂面积所需能量较大。所以对于粗颗粒较多的材料，更具有较高抗热震性的材料。

3 结语

（1）粒径分布对低碳碳砖的密实度有重要影响。如果采用的是连续颗粒级配的方式来进行研制设计时，粒度分布系数q在0．4至0．6之间，随着q值增加，其生坯的密实度迅速变化，

（2）低碳MgO-C材料的强度随着显孔隙率的降低呈线性增加，随着材料中的粗颗粒的越来越多，碳砖的强度也呈线性增加。

（3）随着粗颗粒的增加，那些单一的粗颗粒与基体的界面较大，断口所需能量较大，裂纹难以成形；而整个裂纹的长度减少的部分仅为等效粒径的0．5倍。所以当材料具有的粗颗粒越多那么就会具有更高抗热震性。