铝碳滑板砖在不同浸液中的体积密度和显气孔率

费圣刚, 王 奎, 夏昌勇, 吴龙水

(1.山东省冶金设计院股份有限公司, 济南 250101；2.中冶武汉冶金建筑研究院有限公司, 武汉 430081)

当前高效连铸工艺和二次精炼技术的进步，大大促进了钢铁工业的发展，但同时也对精确控制钢液流量的滑动水口系统提出了更高的要求。滑板作为滑动水口系统的重要部件之一，直接控制钢液的流量。滑板长期承受高温钢液的化学侵蚀和物理冲刷，要求其具有良好的抗侵蚀、抗渗透和抗热震等性能[1]。因滑板的显气孔率、体积密度与其抗侵蚀、抗渗透和抗热震性有着密切关系，也是前期预测和评定滑板性能的重要指标，所以准确测定出滑板的显气孔率和体积密度对滑板质量的预判尤为重要。目前常用的检测方法是液体静力称量法，该方法在实际操作中试样浸渍的饱和度对检测结果影响较大，主要的影响因子有浸渍液体的浓度、温度、表面张力、接触角θ以及浸渍时抽真空的压力大小和浸渍时间等。GB/T 2997—2015《致密定型耐火制品体积密度、显气孔率和真密度试验方法》中对受检试样的体积和尺寸比例、设备仪器的压力值、浸渍液体及浸渍时间等都进行了详细规定。没有特殊要求检测时，通常选用自来水作为浸渍液进行相关检测。滑板在实际使用中，受服役条件限制，为了延长使用寿命，通常会加入质量分数为3%～12%的碳素材料(石墨、炭黑、沥青等)作为改善剂，以生产出气孔率低、强度高、抗热震性好的铝碳滑板[2-3]。石墨在水中的湿润性较差，因此铝碳滑板在自来水中的浸渍质量优劣，会对试验结果造成一定影响。曾有用渗透性较强的工业纯煤油作浸渍液测定碳砖的研究，发现与采用自来水作浸渍液测定的结果存在较大差异。笔者将铝碳滑板砖试样分别放入工业纯煤油和自来水中进行显气孔率与体积密度的测定，以对比铝碳滑板砖在两种不同浸液中测定的显气孔率和体积密度是否存在差异。

1 试验原理

首先称量试样质量，再用液体静力称量法，计算出其显气孔率和体积密度。体积密度ρb是带有气孔的干燥材料的质量与其总体积的比值，单位为g·cm-3或kg·m-3；显气孔率Πa是带有气孔的材料中所有开口气孔的体积与其总体积之比值。

2 计算公式

2.1 体积密度

体积密度ρb的计算式为

(1)

式中：ρing为试验温度下液体的密度；m1为干燥试样质量；m2为饱和试样悬浮在液体中质量；m3为饱和试样质量。

2.2 显气孔率

显气孔率Πa的计算式为

(2)

3 试验步骤及方法

按照GB/T 2997—2015的规定，分别测出试样的干燥质量m1，饱和试样在悬浮液中的质量m2及饱和试样质量m3。再按照式(1)和式(2)，分别计算出试样的体积密度和显气孔率。

3.1 干燥试样质量m1的测量

试样在电热干燥箱中于(110±5) ℃条件下烘干至恒定质量，即干燥至最后两次质量差不超过0.1%为止，并在干燥器中自然冷却至室温。称量前应把试样表面附着的灰尘及细碎颗粒用毛刷刷净，分别称量每个试样的质量，精确到0.01 g。

3.2 饱和试样悬浮在液体中质量m2的测量

把试样放入抽真空容器中，抽真空至其剩余压力小于2 500 Pa，并在此真空度下保持约5 min，然后在约3 min内缓缓注入浸液，直至试样被完全淹没，再继续抽真空5 min，停止抽气，将浸液槽取出，在空气中静置30 min，使试样充分饱和。将饱和试样迅速移至带溢流管容器的浸液中，当浸液完全淹没试样后，将试样吊在天平的挂钩上称量饱和试样悬浮在浸液中的质量，精确至0.01 g，然后测量浸液温度，精确至±1 ℃。

3.3 饱和试样质量m3的测定

从浸液中取出试样，用饱和了浸液的棉毛巾小心地擦去多余的液滴，但不能把气孔中液体吸出，迅速称量饱和试样在空气中的质量，精确至0.01 g。

4 试验前准备

4.1 试样制备

为了使试验更具代表性和实用性，笔者选择常用的HBLT-70铝碳滑板砖作为试验对象，该试样为某公司相同工艺条件下生产的同批次产品，随机抽取3块作为试样。按照YB/T 5049-2019《滑板砖》的要求，测定显气孔率、体积密度的试样在砖的宽度方向含铸口边缘部位制样[4]。试样制成长方体或圆柱体，其总体积为50～200 cm3，试样的最长尺寸与最短尺寸之比不超过2…1。为了便于试验，分别从该3块铝碳滑板砖沿铸口边缘部位各切取2块标准试样，分别标记为A，B，C和a，b，c；即A和a，B和b，C和c分别为同一块砖所制取的两块平行试样。

4.2 浸液选择

试验用浸液选用工业纯煤油和自来水，试验室室温设定为(25±2) ℃，采用PZ-B-5型液体比重天平测定煤油的密度为0.798 g·cm-3，自来水的密度为1.0 g·cm-3。

5 试验结果及讨论

5.1 试验结果

为使试验结果具有可比性，在同一试验室由同一试验人员在同一仪器且在相同试验条件下进行测定， 即试验时的温度、真空度、抽真空时间、浸泡时间、擦去试样表面浸液方式等完全相同。先用自来水作浸液测得数据及算出的HBLT-70铝碳滑板砖显气孔率和体积密度见表1。用自来水测定后，立即把试样放入电热干燥箱中于(110±5) ℃烘干至恒重，再用工业纯煤油作浸液，按照自来水作浸液时的试验条件和操作步骤及方法，测得数据及算出的HBLT-70铝碳滑板砖显气孔率和体积密度见表2。

5.2 讨论

5.2.1 浸液对测定铝碳滑板体积密度的影响

将表1与表2的检测结果对比后发现，同一批HBLT-70铝碳滑板砖试样在自来水和工业纯煤油中测得的体积密度几乎完全一致，可见两种液体对HBLT-70铝碳滑板砖体积密度测定没有影响。根据GB/T 2997—2015可知，体积密度是带有气孔的干燥材料的质量与其总体积的比值。试验时采用的是同一批HBLT-70铝碳滑板砖试样，所以试样的干燥质量基本相同。根据阿基米德定律可知，HBLT-70铝碳滑板砖试样体积等于其饱和试样排开液体的体积，由式(1)计算得出，HBLT-70铝碳滑板砖试样在自来水和工业纯煤油中测得的体积密度完全相同。

表1 自来水作浸液测得的HBLT-70铝碳滑板砖的显气孔率及体积密度Tab.1 Apparent porosity and bulk density of HBLT-70 aluminacarbon slide gate brick determined by using tapwater as impregnating solution

表2 工业纯煤油作浸液测得的HBLT-70铝碳滑板砖的显气孔率及体积密度Tab.2 Apparent porosity and bulk density of HBLT-70 aluminacarbon slide gate brick determined by using industrialpure kerosene as impregnating solution

5.2.2 浸液对测定铝碳滑板砖显气孔率的影响

将表1与表2的检测结果对比后发现，同一批HBLT-70铝碳滑板砖试样在工业纯煤油中测得的显气孔率比在自来水中测得的结果高7.6%左右，说明HBLT-70铝碳滑板砖试样在相同测定条件下在不同浸液中的浸渍饱和度不同。工业纯煤油对HBLT-70铝碳滑板砖试样的浸润性优于自来水，这是因为浸液对HBLT-70铝碳滑板砖表面的浸润性取决于接触角θ，当θ>π/2时，固体是排斥该液体的；当θ<π/2时，固体是亲和该液体的；θ愈小，液体对该固体的浸润程度越高[5]。煤油与HBLT-70铝碳滑板砖的接触角θ<π/2，且比自来水与HBLT-70铝碳滑板砖的接触角小得多。在HBLT-70铝碳滑板中除成型时的原始空隙外，树脂结合剂、添加剂以及浸渍沥青中所含挥发物的分解、碳化、逸出等，都使砖体内产生了更多的凹坑和毛细孔等，这也使得浸液渗透、饱和全部开口气孔更加困难[6]。这些微小的凹坑和毛细孔结构有效地增大了自身的表面积，直接在HBLT-70铝碳滑板砖试样表面困住了大量的空气，将一部分固体液体界面转化为气体液体界面，极大地增加了液体的表面张力。自来水的表面张力是常见液体中最大的，远大于工业纯煤油的。工业纯煤油的表面张力小，黏度小，渗透能力强，能够渗入极细小的毛细孔，可以更好地浸润HBLT-70铝碳滑板砖试样，充分渗入气孔。为改善HBLT-70铝碳滑板砖的性能，在其中加入了一定量的石墨，由于石墨主要由非极性的六角碳网构成的非极性物质，为低能表面，与水的作用力小于分子间的缔合能，与水的作用弱[7-9]。工业纯煤油与自来水相比，其对HBLT-70铝碳滑板砖的浸润性及对毛细孔的渗透性较好，可以充分饱和全部开口气孔。因此通过试验对比发现，HBLT-70铝碳滑板砖在采用工业纯煤油作浸液时比采用自来水作浸液时测定的显气孔率高约7.6%。

6 结论

(1) HBLT-70铝碳滑板砖采用工业纯煤油作浸液时比采用自来水作浸液时测定的显气孔率高约7.6%，但体积密度测定的结果，二者几乎没有差异。

(2) 该测定结果对于其他含碳材料在显气孔率测定时，对浸液的选择具有参考作用，对设计及使用人员在实际使用中有一定的指导意义。