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      添加劑含量對(duì)坯體冷等靜壓成型和性能的影響

      2014-12-27 07:46:24丁準(zhǔn)達(dá)
      江蘇陶瓷 2014年5期
      關(guān)鍵詞:聚乙烯醇坯體粉料

      丁準(zhǔn)達(dá)

      (無錫市南方耐火材料有限公司,宜興214223)

      0 引言

      鋼廠連鑄生產(chǎn)過程中,高爐鋁碳制品是高爐內(nèi)襯更新?lián)Q代的良好材料,其性能優(yōu)于高爐內(nèi)襯傳統(tǒng)耐火材料,與氮化硅結(jié)合碳化硅磚的性能相似,成本卻降低較多。因此,鋁碳質(zhì)耐材問世以來,已在高爐上得到了應(yīng)用,并獲得良好的使用效果。但是制成的燒成Al2O3-C制品硬度大,加工磨平困難。本研究就是利用冷等靜壓成型的坯體強(qiáng)度大、密度高且均勻,可以成型長(zhǎng)徑比大,型狀復(fù)雜的制品,尤其可以實(shí)現(xiàn)近、凈尺寸成型的優(yōu)點(diǎn),可直接達(dá)到客戶要求的尺寸,同進(jìn)研究了混合細(xì)粉造粒時(shí)加入聚乙烯醇(PVA)粘結(jié)劑,提高了坯體強(qiáng)度。

      1 實(shí)驗(yàn)

      1.1 粉料準(zhǔn)備

      以電熔剛玉、鱗片石墨、Si粉、SiC、超微粉剛玉料、石墨粉及添加劑按一定比例混勻磨制成<0.092mm混合細(xì)粉。

      1.2 造粒機(jī)制成假顆粒

      ⑴在水分含量對(duì)混合細(xì)粉成型性及坯體性能影響實(shí)驗(yàn)中,、將混合細(xì)粉和濃度為5wt%的聚乙烯醇(PVA)水溶液以85:15的質(zhì)量比混勻,控制殘余含水量至實(shí)驗(yàn)要求值。

      ⑵在粘結(jié)劑含量對(duì)混合細(xì)粉成型性及坯體質(zhì)量的影響實(shí)驗(yàn)中,將混合細(xì)粉和聚乙烯醇(PVA)水溶液分別 95:5、90:10、85:15、80:20、75:25 的質(zhì)量比混勻。 由造粒機(jī)制成假顆粒粉料。

      1.3 振動(dòng)裝料

      將假顆粒粉料和酚醛樹脂結(jié)合劑混勻,填入模具、振動(dòng)(振動(dòng)頻率為29Hz,振動(dòng)時(shí)間110s)。測(cè)量粉料填充高度h,由公式(1)計(jì)算出粉料的填充密度ρ。

      式中,ρ 為粉料的填充密度 (g.cm-3);m 為粉料質(zhì)量(g);d為模具內(nèi)徑(cm);h為粉料填充高度(cm)

      1.4 坯體壓制

      采用冷等靜壓進(jìn)行坯體壓制,其中壓制參數(shù)為:最高壓力為 200MPa,保壓時(shí)間為20s。設(shè)備為L(zhǎng)DJ-200/100-300型等靜壓機(jī)。

      1.5 坯體抗彎強(qiáng)度測(cè)試

      采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)試坯體的抗彎強(qiáng)度,設(shè)備為電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)(SANS CMT4304)。其中彎曲強(qiáng)度由公式(2)計(jì)算:

      式中,P為最大負(fù)荷 (N);L為跨距 (mm);d0為斷面直徑(mm)。

      1.6 坯體形貌分析

      (1)采用日本日立公司生產(chǎn)的S-4700型掃描電子顯微鏡,觀察坯體的顯微形貌。

      (2)采用SONY PB型數(shù)碼相機(jī)觀察坯體的宏觀形貌。

      2 結(jié)果與討論

      2.1 結(jié)合劑含量對(duì)粉料成型性的影響

      將準(zhǔn)備好的不同結(jié)合劑含量的粉料,進(jìn)行振動(dòng)裝料,測(cè)其填充密度得到粉料結(jié)合劑含量與填充密度的關(guān)系曲線如圖1所示。

      圖1 結(jié)合劑含量與粉料填充密度的關(guān)系

      由圖1可以看出,當(dāng)振動(dòng)頻率為29Hz,振動(dòng)時(shí)間為110s時(shí),結(jié)合劑含量對(duì)粉料填充密度有著很大影響,隨著結(jié)合劑的增加,粉料填充密度明顯降低。當(dāng)結(jié)合劑含量增加到>7.5%時(shí),粉料填充密度從0.68g.cm-3降到0.48g.cm-3,降低幅度約為29%這是因?yàn)榻Y(jié)合劑含量大,毛細(xì)管力增大,粉料容易產(chǎn)生二次團(tuán)聚,導(dǎo)致粉料流動(dòng)性變差,振動(dòng)裝料時(shí)不能有效地破壞顆粒堆積時(shí)產(chǎn)生的拱橋現(xiàn)象,顆粒不易進(jìn)行重排,顆粒間的空氣不能有效排出,使得顆粒間的孔隙不能得到有效填充,從而導(dǎo)致結(jié)合劑含量大時(shí),粉料填充密度小且填充不均勻.,當(dāng)結(jié)合劑含量在6.5wt%~7.5wt%時(shí),粉料填充密度較大,成型性較好。

      2.2 假顆粒粉料粘結(jié)劑含量對(duì)坯體強(qiáng)度的影響

      將粘結(jié)劑(聚乙烯醇)含量不同的假顆粒粉料,進(jìn)行振動(dòng)裝料,壓制成型后三點(diǎn)彎曲測(cè)試,得到坯體強(qiáng)度與聚乙烯醇含量的關(guān)系曲線如圖2所示。

      圖1 聚乙烯醇含量與坯體抗彎強(qiáng)度的關(guān)系

      由圖2可以看出,當(dāng)加入的聚乙烯醇溶液含量從5wt%增加到15wt%時(shí),坯體的強(qiáng)度從0.45MPa增加到1.82MPa,而且坯體的強(qiáng)度隨聚乙烯醇含量增加而增加。當(dāng)加入的聚乙烯醇溶液含量從15wt%增加到25wt%時(shí),坯體的強(qiáng)度有減小的趨勢(shì)。這需要從有機(jī)高分子粘結(jié)劑的增強(qiáng)機(jī)理去解釋。有機(jī)高分子粘結(jié)劑的增強(qiáng)機(jī)理包括有機(jī)高分子鏈增強(qiáng)和氫鍵增強(qiáng)

      ⑴有機(jī)高分子鏈增強(qiáng)

      在沒有添加粘結(jié)劑時(shí),耐材坯體顆粒之間的結(jié)合力包括分子之間的范德華力、顆粒間由于吸附水分產(chǎn)生的毛細(xì)管力和顆粒表面不平滑引起的機(jī)械糾纏力。當(dāng)加入了有機(jī)高分子材料后,吸附在顆粒表面上的有機(jī)高分子,在顆粒表面形成一層均勻的薄膜,這種薄膜在壓制過程中起到潤(rùn)滑作用,減少了粉料顆粒之間以及粉料與模壁之間的摩擦,增加了顆粒之間的粘合作用,提高了坯體的致密度和強(qiáng)度。而且有機(jī)高分子材料通常為鏈狀結(jié)構(gòu),具有足夠鏈長(zhǎng)的高分子聚合物可在耐材顆粒之間搭橋,產(chǎn)生交聯(lián)作用而形成不規(guī)則網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),將坯料顆粒緊緊包裹,阻止顆粒在受力條件下產(chǎn)生位移,起到了纖維增強(qiáng)坯體的類似作用,從而對(duì)坯體產(chǎn)生增強(qiáng)作用。

      ⑵氫鍵增強(qiáng)

      當(dāng)高分子粘結(jié)劑存在時(shí),顆粒表面被高分子材料包裹,使顆粒之間借助于有機(jī)分子材料而產(chǎn)生氫鍵作用。因此當(dāng)高分子粘結(jié)劑存在時(shí),顆粒之間除了有范德華力、毛細(xì)管力、機(jī)械糾纏力的作用外,顆粒之間還存在由于有機(jī)高分子而產(chǎn)生的氫鍵作用,從而大大增強(qiáng)了坯體強(qiáng)度。如果高分子粘結(jié)劑加入量太大,顆粒之間的距離將會(huì)大大加大,反而降低了毛細(xì)管力,從而使強(qiáng)度下降。

      由以上機(jī)理,即可以解釋聚乙烯醇含量對(duì)混合粉料坯體強(qiáng)度的影響。當(dāng)濃度為5wt%的聚乙烯醇溶液的加入量≤15 wt%時(shí),聚乙烯醇長(zhǎng)鏈起主要作用,起到了類似纖維增強(qiáng)坯體的作用,隨著聚乙烯醇溶液加入量的增加,坯體強(qiáng)度增加。當(dāng)聚乙烯醇溶液的加入量≥15wt%時(shí),隨著聚乙烯醇量的增加,包裹在顆粒外層的聚乙烯醇厚度增大,顆粒之間的距離加大,降低了毛細(xì)管力,從而使強(qiáng)度下降。此外隨著聚乙烯醇量的增大,造粒得到的顆粒團(tuán)聚體強(qiáng)度增大,當(dāng)聚乙烯醇的加入量≥15wt%時(shí),壓制的坯體中含有末被壓碎的殘余顆粒團(tuán)聚體,使坯體存在較大的缺陷,從而使坯體強(qiáng)度降低。又由于粘結(jié)劑含量高,燒結(jié)后耐材的氣孔率增加,因此在保證坯體強(qiáng)度的前提下粘結(jié)劑含量越少越好,所以確定粘結(jié)劑含量為15wt%。

      3 結(jié)論

      ⑴鋼廠連鑄過程中,鋼水與耐火材料接觸,鋼水中Fe、Mn及其氧化物與耐火材料發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生低溶點(diǎn)化合物,導(dǎo)致耐材制品迅速損壞。因此,對(duì)于連鑄系統(tǒng)澆注時(shí)間長(zhǎng)、溫度高等極其荷刻條件下的耐火制品必須改進(jìn)工藝,降低成本,提高其耐侵蝕性和強(qiáng)度。

      ⑵有的耐材制品為達(dá)到用戶需要的尺寸,要在產(chǎn)品燒成后或燒成前用機(jī)器加工磨削,既增加成本,其粉塵又污染環(huán)境,如果采用等靜壓成型可以解決這一問題。

      [1]許曉海,馮改改.耐火材料技術(shù)手冊(cè)[M].北京:冶金工業(yè)出版社.2000.

      [2]南條敏夫.煉鋼設(shè)備與高效益運(yùn)行.日本:冶金工業(yè)出版社.2000.

      [3]鄭修鱗.材料的力學(xué)性能.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社.1994.

      [4]丁湘,李金有,楊正方.噴霧造粒ZrO2粉料坯體性能的研究.無機(jī)材料學(xué)報(bào).2000,15(6):999-1004.

      [5]劉家臣,杜海燕,楊正方.噴霧造粒粉制備ZTM陶瓷的結(jié)構(gòu)缺陷與強(qiáng)度研究.硅酸鹽學(xué)報(bào).2000,28(3):219-222.

      [6]黃劍鋒,曹麗云.陶瓷坯體增強(qiáng)劑的應(yīng)用研究.陶瓷.2000(4):15-17.

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