壓延微晶玻璃粘結易脫落問題的研究

賈錫永,張紹金,郭成明

(1.安徽華慧晶甲微晶材料有限公司,明光 239400;2.中冶焦耐工程技術有限公司,大連 116000; 3.上海裕項防水裝飾材料有限公司,上海 200942)

壓延微晶玻璃粘結易脫落問題的研究

賈錫永1,張紹金2,郭成明3

(1.安徽華慧晶甲微晶材料有限公司,明光 239400;2.中冶焦耐工程技術有限公司,大連 116000; 3.上海裕項防水裝飾材料有限公司,上海 200942)

筆者通過多年的系統研究,不但解決了壓延微晶板表面的玻璃相問題,而且在微晶板表面形成了“粗糙”層。由膠泥的粘接機理中的“機械嚙合力”的啟發,攻關生產出帶“溝槽紋”的壓延微晶板,顯著的提高了微晶板與膠泥的粘結強度,這是解決壓延微晶板脫落系統工程研究中的一個重要環節。

粗糙度; 棚堵; 水膜層; 壓延微晶板

壓延法生產的礦渣微晶玻璃,作為工業防護材料得到了廣泛的應用,如在煤炭、發電、焦化、水泥、鋼鐵等領域,成效越來越顯著。這是因為礦渣微晶玻璃具有獨特的性能:耐磨性能好,礦渣微晶玻璃的硬度高,莫氏硬度在8以上,納米級的晶體排列致密,析晶率高,在使用過程中其表面易形成光滑的鏡面,摩擦系數小,光澤度可達120以上。

1 存在的問題

由于礦渣微晶玻璃的主成分為硅酸鹽,所以其表面殘留有大量的硅氧共價鍵和羥基鍵(詳見圖1、圖2)。

當儲存和運行中的物料含有水分或有極性的液體時,在微晶玻璃板的表面可化學吸附一層“水膜”,就是這層“水膜”可大大減少物料接觸面的摩擦系數,不但提高了壓延微晶板的使用壽命,而且還能起到物料的促流效果,解決了粉狀物料容易“棚堵”的難題[1]。礦渣微晶玻璃耐腐蝕性能好,硅酸鹽屬于中性材料,既耐酸也耐堿,壓延微晶板的內部吸水率極低,也不會產生酸、堿、鹽的膨脹腐蝕,當壓延微晶板表面化學吸附一層極性物質(水膜)時,就能起到對微晶板的隔離保護作用。壓延法生產礦渣微晶玻璃有很好的耐熱性能,微晶玻璃的晶化溫度在900℃以上,從理論上講在900℃以下長時間使用是沒有問題的,只有在高于結晶溫度時才可能破壞晶體結構,因此壓延微晶玻璃在熱沖擊性能不大的工況下,可在較高溫度(900℃以下)長期使用。

綜上所述,作為工業防護材料能夠同時具備耐磨、耐腐、耐熱的性能,首選產品便是壓延礦渣微晶玻璃。誠然,礦渣微晶玻璃作為工業防護材料優點較多,但是微晶板的粘結脫落也是一個亟待解決的問題。

2 增加粘結強度的幾種研究方向

我公司廣泛征求用戶和設計院所的意見,并且長期與高校、科研院所合作聯合攻關,近幾年來做了系統的研究,研究成果有4個方面:1)壓延微晶板表面的粘結面積和粘結面的形狀結構設計;2)研究粘結壓延微晶板的專用膠泥;3)根據不同使用工況設計相對應的施工工藝;4)特殊部位采用“結構件”的設計。以上4個研究方向可以比較系統、科學、可行的解決壓延微晶板材的粘結脫落問題,有些方法已申請了國家專利。

該文著重論述如何提高壓延微晶板表面的粘結面積和粘結面的形狀結構設計問題。下面我們從粘結強度的數學表達式進行分析

式中,R粘為膠泥的粘結強度,MPa;P為破壞荷載,N;F為受力面積,mm2。

從式(1)可見,對于同一種膠泥和被粘結板材(壓延微晶板材)來說,膠泥的粘結強度是一個定值。也就是說僅僅靠提高受力面積F,實現增大破壞荷載P是有限的,而且受力面積增加到一定范圍以后,可能要降低壓延微晶板材的其它技術指標。

3 增加粘結面積的板材表面設計

眾所周知,抗拉強度是檢測膠泥的粘結強度的一個指標,剪切強度與粘結強度是檢測膠泥與板材的粘結性能指標的,但是它們的受力方向是不同的,剪切力平行于粘結面,而粘結強度的破壞荷載力是垂直粘結面的。一般來說,同種材料的粘結,剪切強度大于粘結強度,抗拉強度遠大于剪切強度和粘結強度,壓延微晶板粘貼在設備上或筒倉內,它的受力是物料給它的摩擦力和壓力,可見摩擦力是與板材粘結面平行的。而物料對壓延板的壓力又可以分解為與壓延板面平行的下滑力和垂直的正壓力,由于正壓力與壓延板的破壞荷載力是方向相反的兩個力,正壓力是一個保護壓延板不脫落的力,導致壓延微晶板材粘結脫落的力主要是摩擦力和下滑力的合力。

由此,我們可以得出一個結論:壓延微晶板材與膠泥的粘結面的形狀結構是至關重要的,在微晶板的粘接面壓成平行的“溝槽紋”,而且“溝槽紋”的方向與物料流動方向垂直。這是為了增加粘結面的機械嚙合力,而且這種機械嚙合力[2]將成為最主要的粘結力,因為它包含了膠泥與板材粘結力、剪切力和膠泥的抗拉力(抗拉強度的單位面積受力),從實驗數椐可得出,增加的粘結力遠大于增加粘結面積的百分比值(粘結面積僅增加20%左右,剪切強度增加了50%～70%)。

為了證明這個結論,我們做了多種方案的試驗研究,如:增加壓延微晶板材粘結面的粗糙度、“井”字型的凹槽和等距離的平行溝紋槽。對這3種粘結面的結構形狀分別做了實驗,在做壓延微晶板膠泥粘結的剪切力試驗時,我們模擬壓延微晶板材在使用過程中,受到物料的壓應力,等距離的平行溝紋槽的壓延板,溝紋槽的方向與受力方向成垂直角度,檢測的剪切強度比其它指標高出50%～70%(見表1)。隨著壓應力的增加剪切強度成指數級增加,直到膠泥凸出部分被剪切掉時,剪切強度增加到兩倍以上,這也說明了機械嚙合力起到主要作用。

其它試驗也都有利于粘結強度的提高,比如壓延微晶板材表面粗糙度可以疊加在等距離的平行溝紋槽的壓延板上。工藝過程是這樣來實現的:礦渣微晶玻璃是用壓延法進行生產,其中壓延輥需要經冷卻水充分冷卻后才能實現玻璃液的壓延定型,尤其是生產16 mm以上厚度的壓延微晶板材時,冷卻強度要更大才能實現壓延后玻璃板定型(玻璃板不再變形),這樣一來必然導致壓延玻璃板表面過冷卻,將產生1～2 mm的玻璃相(鑄石澆注生產靠模具一面也被過冷卻,有1～2 mm的玻璃相),就是因為晶核劑在過冷卻時被“凍死”。我們在工藝上采取了改進,增加晶核劑的用量,延長均熱帶的時間(核化區前面的溫度區),使得被“凍死”的晶核劑再蘇醒過來。這樣不但解決了壓延微晶板材表面玻璃相的問題,而且還提高了微晶玻璃板表面粗糙度,更重要的是提高了壓延微晶板材的理化技術指標[3]。

表1 壓延微晶板的粘結試驗檢測表

進一步的研究,通過正交試驗分析建立了數學模型,優化出等距離的平行溝紋槽的壓延板的結構參數,槽間距離12～15 mm,槽深3～4 mm,壓延微晶板材與膠泥的粘結強度可提高50%～70%,剪切強度可提高130%～170%。對試驗數椐分析發現一種現象,等距離的平行溝紋槽的凹槽和凸頂部分,是弧形過度比棱角過度更有利于粘結強度的提高,是否是因為凹槽和凸頂的棱角不利于膠泥的潤濕和吸附(關于膠泥與壓延微晶板材的潤濕和吸附,也是影響膠泥粘結強度的因素,在壓延微晶板材專用膠泥的研究中得出的結論)仍有待進一步的研究和探索。

4 結 語

壓延微晶板材作為《鋼筋混凝土筒倉設計規范》推薦應用的內襯材料,它不僅僅是起到保護鋼筋混凝土筒倉不受酸性液體和酸性氣體的“碳化”侵蝕[4]的作用,同時更能解決物料尤其是含水分的細顆粒物料的“棚堵”問題,這些都是與壓延礦渣微晶玻璃獨特的物理化學結構分不開的,在很多工程案例中也充分證明了這點。至于在解決物料的“棚堵”問題,以及在鋼廠腐蝕、磨損與高溫等因素共存的惡劣環境下,壓延微晶板材都可稱之為量身定做的新型耐磨防腐材料。可以這么說,若解決了板材的粘結脫落問題,壓延礦渣微晶板有廣闊的應用前景。

[1] 周 洪.新材料—微晶鑄石在選煤廠的應用[J].煤質技術,2002,36(5):24-25.

[2] 黃世強,孫爭光,吳 軍.膠黏劑及其應用[M].北京:機械工業出版社,2011.

[3] 賈培祥.提高壓延微晶板的粘結強度的實踐與研究[J].工業玻璃和特種玻璃標準化通訊,2013,18(1):17-19.

[4] 王純進,賈錫永.壓延微晶板阻隔鋼筋混凝土煤倉碳化的實踐與研究[J].能源技術與管理,2014,30(2):149-150.

Research on the Problem of the Shedding of Rolling Glass-ceremic

JIA Xi-yong1,ZHANG Shao-jin2,GUO Cheng-ming3
(1.Anhui Huahui Jingjia Microcrystalline Material Co,Ltd,Mingguang 239400,China;2.Metallurgical Coke Resistance Engineering Technology Co,Ltd,Dalian 116000,China;3.Shanghai Yuxiang Waterproof Decorative Material Co,Ltd,Shanghai 200942,China)

After many years of system research,the author has not only solved the problem of the glass phase of the glass-ceremic surface,but also formed a“rough layer”.Owing to the inspiration of the boading mechanism of“mechanical force”,we have creatively produced the rolling microcrystalline plate with trench lines,greatly improved the boading strength of the ceramic plate and cement,which is also an important step to solve the problem of the shedding of glass-ceremic in the course of construction.

roughness; blocking; blocking water layer; rolling glass-ceremic

2014-07-17.

賈錫永(1982-),工程師.E-mail:ahhuahui@vip.sina.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.015