費(fèi)圣剛, 王 奎, 夏昌勇, 吳龍水

(1.山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司, 濟(jì)南 250101；2.中冶武漢冶金建筑研究院有限公司, 武漢 430081)

當(dāng)前高效連鑄工藝和二次精煉技術(shù)的進(jìn)步，大大促進(jìn)了鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，但同時(shí)也對(duì)精確控制鋼液流量的滑動(dòng)水口系統(tǒng)提出了更高的要求。滑板作為滑動(dòng)水口系統(tǒng)的重要部件之一，直接控制鋼液的流量?；彘L(zhǎng)期承受高溫鋼液的化學(xué)侵蝕和物理沖刷，要求其具有良好的抗侵蝕、抗?jié)B透和抗熱震等性能[1]。因滑板的顯氣孔率、體積密度與其抗侵蝕、抗?jié)B透和抗熱震性有著密切關(guān)系，也是前期預(yù)測(cè)和評(píng)定滑板性能的重要指標(biāo)，所以準(zhǔn)確測(cè)定出滑板的顯氣孔率和體積密度對(duì)滑板質(zhì)量的預(yù)判尤為重要。目前常用的檢測(cè)方法是液體靜力稱量法，該方法在實(shí)際操作中試樣浸漬的飽和度對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響較大，主要的影響因子有浸漬液體的濃度、溫度、表面張力、接觸角θ以及浸漬時(shí)抽真空的壓力大小和浸漬時(shí)間等。GB/T 2997—2015《致密定型耐火制品體積密度、顯氣孔率和真密度試驗(yàn)方法》中對(duì)受檢試樣的體積和尺寸比例、設(shè)備儀器的壓力值、浸漬液體及浸漬時(shí)間等都進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。沒有特殊要求檢測(cè)時(shí)，通常選用自來水作為浸漬液進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)?；逶趯?shí)際使用中，受服役條件限制，為了延長(zhǎng)使用壽命，通常會(huì)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～12%的碳素材料(石墨、炭黑、瀝青等)作為改善劑，以生產(chǎn)出氣孔率低、強(qiáng)度高、抗熱震性好的鋁碳滑板[2-3]。石墨在水中的濕潤(rùn)性較差，因此鋁碳滑板在自來水中的浸漬質(zhì)量?jī)?yōu)劣，會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成一定影響。曾有用滲透性較強(qiáng)的工業(yè)純煤油作浸漬液測(cè)定碳磚的研究，發(fā)現(xiàn)與采用自來水作浸漬液測(cè)定的結(jié)果存在較大差異。筆者將鋁碳滑板磚試樣分別放入工業(yè)純煤油和自來水中進(jìn)行顯氣孔率與體積密度的測(cè)定，以對(duì)比鋁碳滑板磚在兩種不同浸液中測(cè)定的顯氣孔率和體積密度是否存在差異。

1 試驗(yàn)原理

首先稱量試樣質(zhì)量，再用液體靜力稱量法，計(jì)算出其顯氣孔率和體積密度。體積密度ρb是帶有氣孔的干燥材料的質(zhì)量與其總體積的比值，單位為g·cm-3或kg·m-3；顯氣孔率Πa是帶有氣孔的材料中所有開口氣孔的體積與其總體積之比值。

2 計(jì)算公式

2.1 體積密度

體積密度ρb的計(jì)算式為

(1)

式中：ρing為試驗(yàn)溫度下液體的密度；m1為干燥試樣質(zhì)量；m2為飽和試樣懸浮在液體中質(zhì)量；m3為飽和試樣質(zhì)量。

2.2 顯氣孔率

顯氣孔率Πa的計(jì)算式為

(2)

3 試驗(yàn)步驟及方法

按照GB/T 2997—2015的規(guī)定，分別測(cè)出試樣的干燥質(zhì)量m1，飽和試樣在懸浮液中的質(zhì)量m2及飽和試樣質(zhì)量m3。再按照式(1)和式(2)，分別計(jì)算出試樣的體積密度和顯氣孔率。

3.1 干燥試樣質(zhì)量m1的測(cè)量

試樣在電熱干燥箱中于(110±5) ℃條件下烘干至恒定質(zhì)量，即干燥至最后兩次質(zhì)量差不超過0.1%為止，并在干燥器中自然冷卻至室溫。稱量前應(yīng)把試樣表面附著的灰塵及細(xì)碎顆粒用毛刷刷凈，分別稱量每個(gè)試樣的質(zhì)量，精確到0.01 g。

3.2 飽和試樣懸浮在液體中質(zhì)量m2的測(cè)量

把試樣放入抽真空容器中，抽真空至其剩余壓力小于2 500 Pa，并在此真空度下保持約5 min，然后在約3 min內(nèi)緩緩注入浸液，直至試樣被完全淹沒，再繼續(xù)抽真空5 min，停止抽氣，將浸液槽取出，在空氣中靜置30 min，使試樣充分飽和。將飽和試樣迅速移至帶溢流管容器的浸液中，當(dāng)浸液完全淹沒試樣后，將試樣吊在天平的掛鉤上稱量飽和試樣懸浮在浸液中的質(zhì)量，精確至0.01 g，然后測(cè)量浸液溫度，精確至±1 ℃。

3.3 飽和試樣質(zhì)量m3的測(cè)定

從浸液中取出試樣，用飽和了浸液的棉毛巾小心地擦去多余的液滴，但不能把氣孔中液體吸出，迅速稱量飽和試樣在空氣中的質(zhì)量，精確至0.01 g。

4 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

4.1 試樣制備

為了使試驗(yàn)更具代表性和實(shí)用性，筆者選擇常用的HBLT-70鋁碳滑板磚作為試驗(yàn)對(duì)象，該試樣為某公司相同工藝條件下生產(chǎn)的同批次產(chǎn)品，隨機(jī)抽取3塊作為試樣。按照YB/T 5049-2019《滑板磚》的要求，測(cè)定顯氣孔率、體積密度的試樣在磚的寬度方向含鑄口邊緣部位制樣[4]。試樣制成長(zhǎng)方體或圓柱體，其總體積為50～200 cm3，試樣的最長(zhǎng)尺寸與最短尺寸之比不超過2…1。為了便于試驗(yàn)，分別從該3塊鋁碳滑板磚沿鑄口邊緣部位各切取2塊標(biāo)準(zhǔn)試樣，分別標(biāo)記為A，B，C和a，b，c；即A和a，B和b，C和c分別為同一塊磚所制取的兩塊平行試樣。

4.2 浸液選擇

試驗(yàn)用浸液選用工業(yè)純煤油和自來水，試驗(yàn)室室溫設(shè)定為(25±2) ℃，采用PZ-B-5型液體比重天平測(cè)定煤油的密度為0.798 g·cm-3，自來水的密度為1.0 g·cm-3。

5 試驗(yàn)結(jié)果及討論

5.1 試驗(yàn)結(jié)果

為使試驗(yàn)結(jié)果具有可比性，在同一試驗(yàn)室由同一試驗(yàn)人員在同一儀器且在相同試驗(yàn)條件下進(jìn)行測(cè)定， 即試驗(yàn)時(shí)的溫度、真空度、抽真空時(shí)間、浸泡時(shí)間、擦去試樣表面浸液方式等完全相同。先用自來水作浸液測(cè)得數(shù)據(jù)及算出的HBLT-70鋁碳滑板磚顯氣孔率和體積密度見表1。用自來水測(cè)定后，立即把試樣放入電熱干燥箱中于(110±5) ℃烘干至恒重，再用工業(yè)純煤油作浸液，按照自來水作浸液時(shí)的試驗(yàn)條件和操作步驟及方法，測(cè)得數(shù)據(jù)及算出的HBLT-70鋁碳滑板磚顯氣孔率和體積密度見表2。

5.2 討論

5.2.1 浸液對(duì)測(cè)定鋁碳滑板體積密度的影響

將表1與表2的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，同一批HBLT-70鋁碳滑板磚試樣在自來水和工業(yè)純煤油中測(cè)得的體積密度幾乎完全一致，可見兩種液體對(duì)HBLT-70鋁碳滑板磚體積密度測(cè)定沒有影響。根據(jù)GB/T 2997—2015可知，體積密度是帶有氣孔的干燥材料的質(zhì)量與其總體積的比值。試驗(yàn)時(shí)采用的是同一批HBLT-70鋁碳滑板磚試樣，所以試樣的干燥質(zhì)量基本相同。根據(jù)阿基米德定律可知，HBLT-70鋁碳滑板磚試樣體積等于其飽和試樣排開液體的體積，由式(1)計(jì)算得出，HBLT-70鋁碳滑板磚試樣在自來水和工業(yè)純煤油中測(cè)得的體積密度完全相同。

表1 自來水作浸液測(cè)得的HBLT-70鋁碳滑板磚的顯氣孔率及體積密度Tab.1 Apparent porosity and bulk density of HBLT-70 aluminacarbon slide gate brick determined by using tapwater as impregnating solution

表2 工業(yè)純煤油作浸液測(cè)得的HBLT-70鋁碳滑板磚的顯氣孔率及體積密度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 浸液對(duì)測(cè)定鋁碳滑板磚顯氣孔率的影響

將表1與表2的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，同一批HBLT-70鋁碳滑板磚試樣在工業(yè)純煤油中測(cè)得的顯氣孔率比在自來水中測(cè)得的結(jié)果高7.6%左右，說明HBLT-70鋁碳滑板磚試樣在相同測(cè)定條件下在不同浸液中的浸漬飽和度不同。工業(yè)純煤油對(duì)HBLT-70鋁碳滑板磚試樣的浸潤(rùn)性優(yōu)于自來水，這是因?yàn)榻簩?duì)HBLT-70鋁碳滑板磚表面的浸潤(rùn)性取決于接觸角θ，當(dāng)θ>π/2時(shí)，固體是排斥該液體的；當(dāng)θ<π/2時(shí)，固體是親和該液體的；θ愈小，液體對(duì)該固體的浸潤(rùn)程度越高[5]。煤油與HBLT-70鋁碳滑板磚的接觸角θ<π/2，且比自來水與HBLT-70鋁碳滑板磚的接觸角小得多。在HBLT-70鋁碳滑板中除成型時(shí)的原始空隙外，樹脂結(jié)合劑、添加劑以及浸漬瀝青中所含揮發(fā)物的分解、碳化、逸出等，都使磚體內(nèi)產(chǎn)生了更多的凹坑和毛細(xì)孔等，這也使得浸液滲透、飽和全部開口氣孔更加困難[6]。這些微小的凹坑和毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)有效地增大了自身的表面積，直接在HBLT-70鋁碳滑板磚試樣表面困住了大量的空氣，將一部分固體液體界面轉(zhuǎn)化為氣體液體界面，極大地增加了液體的表面張力。自來水的表面張力是常見液體中最大的，遠(yuǎn)大于工業(yè)純煤油的。工業(yè)純煤油的表面張力小，黏度小，滲透能力強(qiáng)，能夠滲入極細(xì)小的毛細(xì)孔，可以更好地浸潤(rùn)HBLT-70鋁碳滑板磚試樣，充分滲入氣孔。為改善HBLT-70鋁碳滑板磚的性能，在其中加入了一定量的石墨，由于石墨主要由非極性的六角碳網(wǎng)構(gòu)成的非極性物質(zhì)，為低能表面，與水的作用力小于分子間的締合能，與水的作用弱[7-9]。工業(yè)純煤油與自來水相比，其對(duì)HBLT-70鋁碳滑板磚的浸潤(rùn)性及對(duì)毛細(xì)孔的滲透性較好，可以充分飽和全部開口氣孔。因此通過試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，HBLT-70鋁碳滑板磚在采用工業(yè)純煤油作浸液時(shí)比采用自來水作浸液時(shí)測(cè)定的顯氣孔率高約7.6%。

6 結(jié)論

(1) HBLT-70鋁碳滑板磚采用工業(yè)純煤油作浸液時(shí)比采用自來水作浸液時(shí)測(cè)定的顯氣孔率高約7.6%，但體積密度測(cè)定的結(jié)果，二者幾乎沒有差異。

(2) 該測(cè)定結(jié)果對(duì)于其他含碳材料在顯氣孔率測(cè)定時(shí)，對(duì)浸液的選擇具有參考作用，對(duì)設(shè)計(jì)及使用人員在實(shí)際使用中有一定的指導(dǎo)意義。