淺談中間包干式工作襯用低溫結合劑

【摘 要】 本文簡要介紹了中間包工作襯材料的發展及低溫結合劑應滿足的要求。對現在使用較多的有機結合劑酚醛樹脂、多羥基糖，無機結合劑六偏磷酸鈉、硼砂、水玻璃等性能和使用時應注意的事項進行介紹，同時對今后中間包干式工作襯使用的低溫結合劑應達到的要求進行了展望。

【關鍵詞】 耐火材料 中間包 低溫結合劑

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2016.05.004

近年來，隨著鋼鐵工業的迅速發展，我國的鋼鐵年產量已經達到6億噸，同時高效連鑄技術的普及和飛速發展，對連鑄鋼坯質量要求也不斷提高。中間包作為連鑄工序中的重要組成部分，中間包工作襯采用涂料和干式工作襯已經成為主流，而干式工作襯更是以具有施工方便、烘包時間短、保溫性能好、易于翻包的優點得到迅速推廣使用，并成為以后中間包工作襯的發展趨勢。本文主要介紹中間包干式工作襯使用的低溫有機結合劑和無機結合劑。

1 中間包干式工作襯低溫結合劑性能要求

中間包干式工作襯是使用顆粒及粉狀物料按照合理的顆粒級配組成的散裝物料。中間包干式工作襯使用的低溫結合劑，主要用于滿足干式工作襯在成型帶模烘烤后有一定強度，能夠保證脫模。基于中間包干式工作襯的性質和使用要求，中間包干式工作襯的低溫結合劑必須滿足以下幾點：

（1）結合劑在常溫下一定是固體粉末。

（2）結合劑在經過一定溫度和時間烘烤后具有一定強度滿足脫模。

（3）結合劑在使用溫度以下分解，分解過程中產生較小或不產生體積變化，不影響材料的高溫使用性能。

（4）結合劑烘烤后所產生的強度盡量為結合劑本身物理或化學反應或少量與主成分反應產生。

2 有機結合劑

對于中間包干式工作襯來說，有機低溫結合劑的結合強度主要是來自于在一定溫度下，結合劑本身發生的物理化學反應，例如酚醛樹脂縮合產生的碳素網絡、有機物本身達到熔點后冷卻固化產生強度等。現在大部分應用的主要有機結合劑有酚醛樹脂、多羥基糖（食用糖），還有少量使用聚乙烯、石蠟等，由于用量較少，而且石蠟目前大部分使用成型制品，所以本文不作介紹。

2.1 酚醛樹脂

酚醛樹脂作為目前使用最廣泛的的低溫結合劑，具有強度大、固定碳率高、在高溫下形成牢固的碳結合等優點。

酚醛樹脂主要是在烘包后固化產生三維網絡，達到一定強度，同時少量殘留碳有利于提高中間包抵抗熔渣和抗熱震性能。

中間包干式工作襯采用的酚醛樹脂為固體熱塑性酚醛樹脂，又稱線性酚醛樹脂。熱塑性酚醛樹脂是由工業苯酚和甲醛在酸性催化劑的作用下，經過縮聚反應而制成的多為固體的高分子量有機化合物。熱塑性樹脂分子中不具有未反應的羥甲基，本身不發生硬化反應，只有加入硬化劑六亞甲基四胺（烏洛托品）并加熱反應，形成具有三維網絡結構的固化樹脂。中間包干式工作襯常用熱塑性酚醛樹脂型號及性能參數見表1。

中間包干式工作襯用熱塑性酚醛樹脂在物料中的反應：當溫度達到100℃左右時，樹脂發生軟化并少量樹脂與加入的六甲基四胺發生反應；當溫度達到120℃～130℃時，開始劇烈反應并形成三維網絡結構的固化樹脂，隨著溫度升高固化速度加快，固化反應在200℃以下固化反應基本完成；當溫度在200℃～800℃時固化后的樹脂發生分解，放出CO2、CO、CH4、H2及H2O等氣體，同時生成固定碳，樹脂碳化形成碳網絡結構；當溫度繼續升高，碳網絡結構將被破壞，同時物料強度將下降。

中間包干式工作襯在使用酚醛樹脂作為低溫結合劑時應注意以下幾點：

（1）酚醛樹脂的加入量不能過多，除了經濟因素外，主要是因為加入過多的酚醛樹脂，在提高了低溫強度的同時，會使物料中的殘炭增加、氣孔率增加。

（2）不同物料在選取酚醛樹脂時，選用不同型號酚醛樹脂的理化指標，因為不同型號酚醛樹脂的水分、流動度、聚合速度等等都不相同，含鈣質干式工作襯更應注意這一點。

（3）合理控制烘包溫度和升溫速度。

2.2 多羥基糖

多羥基糖作為干式工作襯的低溫結合劑具有烘包溫度低、結合強度大、成本低等優點。

中間包干式工作襯用多羥基糖屬于食品級物質，常見的白糖、葡萄糖、砂糖等都可以作為干式工作襯低溫結合劑。多羥基糖作為干式工作襯低溫結合劑使用時，加入少量的水玻璃會促進其反應。

多羥基糖在作為干式料低溫結合劑時的主要反應：當溫度達到80℃時，還有結晶水的多羥基糖開始脫去結晶水并發生軟化；當溫度在120℃～150℃時，多羥基糖開始快速融化成為液體并發生縮合反應，少量種類的多羥基糖需要達到180℃；在超過180℃后繼續加熱發生碳化反應，同時放出CO2、CO、H2O等氣體；溫度在240℃后碳化反應基本結束達到穩定。多羥基糖作為干式工作襯低溫結合劑，其作用是在縮合反應形成三維網絡冷卻后產生的結合強度。

中間包干式工作襯常用多羥基糖的種類及性能指標如表2，從表中不難看出，不同種類的多羥基糖性能指標差別還是比較大的，所以在選用時需要根據干式工作襯種類和使用方案選擇。中間包干式工作襯在使用多羥基糖作為低溫結合劑時應注意以下兩點：

（1）在使用多羥基糖作為鎂鈣質中間包干式工作襯時，一定選取低水分含量、顆粒粒度盡量小的（應達到325目以上），防止鎂鈣質材料整體或者局部發生水化。

（2）在烘烤和烘包時制定較為合理的升溫制度，防止多羥基糖大量同時碳化產生膨脹而使工作襯損壞。

3 無機結合劑

中間包干式工作襯使用的無機低溫結合劑多為幾種無機鹽按照一定比例配置而成。主要使用的無機鹽有六偏磷酸鈉、硼砂、水玻璃等，按照一定比例混合，經過一定的處理，最后粉磨成粉。中間包干式工作襯使用的無機低溫結合劑，其強度主要來源于無機鹽之間反應、無機鹽與物料之間反應、無機鹽溶化后本身的強度。

3.1 六偏磷酸鈉

六偏磷酸鈉是玻璃體狀磷酸鈉鹽系列中的一種，是由純堿和正磷酸首先制得磷酸二氫鈉，然后再加熱脫水和縮聚而制得，其反應過程見下式：

（150℃）

（270℃）

（620℃）

六偏磷酸鈉作為干式料的無機結合劑，干燥時與氧化鎂形成MgHPO4，六偏磷酸鈉水解為磷酸二氫鈉NaH2PO4，在大于500℃條件下，分別縮合成[Mg（PO3）2]n和[Mg2P2O7]n，使干式料的強度進一步提高，使其具有較高的中低溫強度。本實驗選用六偏磷酸鈉作為主要的無機結合劑。六偏磷酸鈉的分子式為（NaPO3）6，是由純堿和正磷酸先制得磷酸二氫鈉，再經加熱脫水和縮聚而制得。六偏磷酸鈉為片狀或塊狀玻璃體，粉碎后為白色粉末狀，吸濕性較強，極易溶于水。六偏磷酸鈉與鎂質原料在約500℃的加熱過程中可以聚合成聚磷酸鎂[Mg（PO3）2]n和[Mg2P2O2]n，使得材料充分結合，在出現液相前的相當大溫度范圍內都具有相當高的強度。

3.2 硼砂

硼砂別名四硼酸鈉（Na2B4O7·10H2O），白色或無色單斜晶系柱狀半透明結晶或白色粉末；無臭，味咸；相對密度1.73；水溶液呈堿性；熔融時呈無色玻璃態物質。硼砂理論上在空氣中緩慢風化，60℃時失去8個結晶水，320℃時失去全部結晶水，741℃時熔融。但在實際使用過程中，硼砂在150℃時就已經熔融并有較大的質量減少。熔融后能溶解金屬氧化物，生成偏硼酸復合鹽。硼砂在干式工作襯中低溫下本身結合強度較好，同時在升溫過程中可以和材料中的不同物質生成復合鹽，例如硼酸鎂、偏硼酸鈣等，有助提高材料的中溫強度。硼砂在使用鎂鈣質材料時，一定要先期進行處理，排出里面的結晶水，防止鎂鈣砂水化變質。

3.3 水玻璃

水玻璃在實驗中也是作為對比用的無機結合劑。水玻璃的分子式為R2O·nSiO2，是通過堿金屬的碳酸鹽與石英砂細粉在高溫下熔融反應而制得，是被廣泛應用的無機結合劑。以水玻璃為結合劑的耐火材料具有較高的強度、熱震穩定性、耐磨性和耐侵蝕性較好的特點，但最高使用溫度一般不超過1200℃。

中間包干式工作襯使用無機鹽作為低溫結合劑，不僅可以保證干式工作襯的低溫強度，還有利于提高材料的中溫強度。但是加入量過大會影響材料的高溫使用性能，無機結合劑在使用時一定要配合使用，不能單獨使用一種無機結合劑。中間包干式工作襯使用無機鹽作為低溫結合劑應注意以下幾點：

（1）無機鹽作為低溫結合劑，使用時注意材料的本身性能不能發生沖突。

（2）在無機結合劑加入前，應經過一定處理，例如：均化、烘烤等。

（3）無機鹽的加入量和不同無機鹽比例一定得當，否則會影響工作襯的高溫使用性能。

4 結語

中間包干式工作襯作為最新一代的中間包工作面材料很有發展前景，而低溫結合劑作為其不可缺少的組成，其研究也應不斷的深入，同時隨著潔凈鋼等新鋼種的比重不斷上升，對于中間包工作襯的雜質含量應不斷下降。中間包干式工作襯使用的結合劑和添加劑應盡量去除這類物質。所以如何獲得性能更加優良的結合劑應是人們今后的研究方向。

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作者簡介

杜鵬，高級工程師，目前于遼寧省產品質量監督檢驗院從事檢測工作。