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二茂铁含量对不烧镁钙系耐火材料性能的影响

        不烧镁钙砖不仅具有生产工艺简单、生产周期短、生产成本低、绿色环保的特点,也兼备烧结镁钙砖抗碱性侵蚀能力强、净化钢液提高炼钢质量、使用过程无污染的特点。但是不烧镁钙系耐火材料的早期强度和抗水化性能不强的因素限制了不烧镁钙砖的应用和发展
        二茂铁是一种伴有类似樟脑性气味的具有夹心结构的橙色固体。二茂铁的分子式为Fe(C5H5)2,熔点为173℃,100℃可以升华,常被用作于催化无水酚醛树脂原位合成碳纳米结构的催化剂。
为了解决不烧镁钙系耐火材料前期强度不高和抗水化性能不强的问题,研究二茂铁含量对不烧镁钙系耐火材料性能的影响,期望为其的生产和应用提供一定的理论参考。
        1 试验
        1.1 试验原料及配方
        本试验使用的主要原料及其化学组成见表1。

        本试验按照4级颗粒级配的方式进行,其中人工合成镁钙砂按照5~3、3~1、1~0 mm的粒度进行筛分,电熔镁砂按照≤0.088 mm进行筛分。具体的试验配方见表2。从表2中可以看出,共设置了4组试验,编号分别是A、B、C、D,其中A组作为空白对照组,B、C、D组作为试验组,通过改变二茂铁含量的方式研究其对不烧镁钙系耐火材料性能的影响。


        1.2 试样制备
        试样的制备步骤:(1)将人工合成镁钙砂、电熔镁砂置于110℃恒温干燥24 h;(2)按照试验配方称取相应试验原料,并预混3 min,使骨料和粉料均匀混合;(3)将一定比例的二茂铁和无水酚醛树脂进行充分的机械搅拌,时间30 min,温度60~70℃;(4)将结合剂与物料进行热混,时间5 min,温度60~70℃;(5)采用300 MPa的压强使试样压制成型;(6)干燥温度200℃,干燥时间24 h;(7)1 650℃保温3 h烧结。
        1.3 性能检测
        试样的性能检测包括体积密度、显气孔率、常温耐压强度、抗水化性能、荷重软化温度分别按照以下标准进行执行:GB/T 2997—2000、GB/T 5072—2008、ASTMC 620—1992、GB/T 5989—2008。试样的显微结构和物相分析通过SEM、XRD进行分析。
        2 结果和分析
        2.1 200℃干燥处理后试样的性能
        200℃干燥后不同二茂铁含量试样的体积密度、显气孔率、常温耐压强度和抗水化性能见表3。

        由表3可以看出,随着二茂铁含量的增加试样的体积密度先增加后减少,显气孔率先降低后增加,常温耐压强度和抗水化时长均呈增加后减少。当二茂铁加入量为1%(w)时,性能最好。
2.2 200℃干燥后试样的显微结构
        随二茂铁含量的增加,不烧镁钙系耐火材料各试样的显微结构见图1所示。从图1中可以看出,试样中二茂铁含量不同时,其显微结构也会随之发生改变。其中未引入二茂铁试样A的SEM图如图1(a)所示,无水酚醛树脂在不烧镁钙系耐火材料内呈不均匀态分布,孤立分散;图1(b)为加入0.5%(w)二茂铁试样B的SEM图,可以看出无水酚醛呈颗粒状均匀分布在试样内部;当加入1%(w)二茂铁时,其试样C的SEM图如图1(c)所示,无水酚醛树脂呈均匀且具有层次的网架结构;当试样含有1.5%(w)二茂铁时,如图1(d)所示,无水酚醛树脂在式样内部虽呈网状结构,但分布不均匀。

        分析当二茂铁含量为1%(w)时,试样的EDS图如图2所示。通过图2可以看出1%(w)二茂铁试样中无水酚醛树脂干燥处理后形成的网架结构上Fe元素和C元素呈均匀分布,证明此网架结构是由二茂铁和无水酚醛树脂形成。通过SEM、EDS的分析可以得知不烧镁钙系耐火材料性能随二茂铁含量的增加呈规律性变化。二茂铁和无水酚醛树脂经过均匀的机械搅拌,二茂铁被无水酚醛树脂紧紧包裹,由于二茂铁本身特性的原因,二茂铁在200℃干燥环境下升华的特性会生成二茂铁气体,在无水酚醛树脂内部形成蒸汽压,当二茂铁含量较少时,形成蒸汽压较小,无法突破无水酚醛树脂的包裹,最终形成如图2(b)所示的颗粒状分布,当二茂铁含量为1%(w)时,形成的蒸汽压足够突破无水酚醛树脂形成的包裹,最终形成较为均匀的网架结构。而1.5%(w)二茂铁含量时,试样内部形成的蒸汽压过高,使原有的网架结构遭到一定的破坏。由二茂铁物理性质可知,二茂铁的熔点为197℃,在200℃干燥过程中能够形成一定的液相二茂铁,带动无水酚醛树脂的均匀性。所以最终导致随二茂铁含量的增加不烧镁钙系耐火材料的体积密度、常温耐压强度、抗水化性呈先增加后降低,显气孔率呈先降低后增加的趋势。

        2.3 1 650℃热处理后各试样的性能检测
        通过1 650℃的高温烧结测得各试样的常温性能见表4。可以看出,随着二茂铁外加量的增加,试样的体积密度、常温耐压强度和60 h后水化后质量增加率均先降低后增加。当二茂铁加入量为1%(w)时,性能最佳。