假顆粒現象及其對再生鋁鎂碳制品性能的影響

范 兵,吳蕓蕓,石 川,梁永和,聶建華

(武漢科技大學耐火材料與高溫陶瓷國家重點實驗室培育基地,湖北武漢,430081)

假顆粒現象及其對再生鋁鎂碳制品性能的影響

范 兵,吳蕓蕓,石 川,梁永和,聶建華

(武漢科技大學耐火材料與高溫陶瓷國家重點實驗室培育基地,湖北武漢,430081)

對用后鋁鎂碳磚再生顆粒料的組成和結構特點進行顯微分析,并通過改變混料方式以及不同粒度再生料的加入量研究假顆粒對再生鋁鎂碳制品結構與性能的影響。結果表明:用后鋁鎂碳磚再生料中含有約40%與廢磚相組成和結構相似、骨料與基質并存于同一顆粒的二次顆粒,即所謂的“假顆?！?假顆粒的組成、結構及外形的均勻程度均遠不如一次骨料顆粒;混碾可使用后鋁鎂碳磚再生料中假顆粒發生二次破碎,且粒度越大,發生二次破碎的顆粒數量越多;假顆粒二次破碎導致再生制品的粒度組成發生改變,進而影響其密度和耐壓強度。

用后耐火材料;回收利用;假顆粒;再生鋁鎂碳磚

冶金企業每年產生大量的用后耐火材料,這些材料廢棄后不僅污染環境,而且造成資源浪費,因此,用后耐火材料的回收利用正日益受到政府和企業的重視[1-4]。對用后耐火材料進行除塵、除渣、除鐵等處理后,可以將其破碎為二次顆粒用來生產再生制品,但由于骨料與基質沒有完全分離或者發生蝕變而與原磚純原料顆粒性態產生差異,部分二次顆粒會成為所謂的“假顆?！盵5-6]。本文對鋼包用后鋁鎂碳磚再生料(即二次顆粒)的組成和結構特點進行研究,并以其為主要原料,通過改變混料方式及不同粒度再生料的加入量探討了假顆粒對再生制品性能的影響。

1 試驗

1.1 原料

本試驗所用原料包括:國內某鋼廠鋼包用后鋁鎂碳磚再生料,其粒度和主要化學組成如表1所示;特級礬土(w(A l2O3)≥88.6%,粒度級別與再生料相同);粒度小于0.088 mm的電熔鎂砂細粉(w(M gO)≥96.2%)、鱗片狀石墨(w(C)≥93.6%)及碳化硅等。結合劑采用熱固性酚醛樹脂,其黏度(25℃)為1.43 Pa·s、固含量為72%、殘炭量為44.4%。

表1 再生料的粒度及主要化學組成Table 1 Granularity and chem ical compositionsof renewable materials

1.2 配方和試樣制備

根據Andreassen公式計算粒度組成(q取0.39),并以此作為再生鋁鎂碳磚試樣的物料級配依據。通過改變混料方式(混碾和機械攪拌)及不同粒度再生料的加入量研究假顆粒對再生制品性能的影響,試樣的配料組成如表2所示,其中鎂砂和石墨的配入量根據樹脂結合鋁鎂碳磚標準(YB/T165—1999)中M gO和C的含量,并結合各級再生料中M gO和C的含量,通過計算得到。將試驗原料按表2配料外加3.5%的熱固性酚醛樹脂,經混料、成型和熱處理得到再生鋁鎂碳磚試樣。

1.3 分析測試

將粒度大于0.088 mm的再生顆粒料制備成光片用于顯微分析。采用 Philip公司生產的XL 30W/TM P型掃描電子顯微鏡對再生料和再生試樣進行顯微觀察和假顆粒數量統計分析。按GB/T 2997—1982對試樣的顯氣孔率和體積密度進行測定,按GB/T 3997.2—1998對試樣的常溫耐壓強度進行測定。

表2 試樣的配料組成(wB/%)Table 2 Compositionsand ratios of burdening

2 結果與分析

2.1 假顆粒的組成與結構特征

圖1為用后鋁鎂碳磚再生顆粒料顯微結構。從圖1中可以看出,各級再生料中除部分基本保持原磚骨料形態的顆粒外,其余顆粒特征均為骨料與基質并存,呈現出相組成復雜、結構中微孔和裂隙明顯增加的現象。這顯然是由于在用后廢磚破碎過程中原磚骨料顆粒與周圍基質的結合沒有被完全破壞而形成的,這種完全不同于原磚骨料顆粒(一次顆粒)、而與廢磚相組成和結構有關、骨料與基質共存的二次顆粒,就是所謂的“假顆粒”。

圖1 用后鋁鎂碳磚再生顆粒的顯微結構Fig.1 M icrostructure of renewable particles crushed from the used Al2O3-MgO-C bricks

事實上,假顆粒不僅相組成復雜(同時含有骨料和基質,有的顆粒中還夾雜著蝕變相)、孔隙有所增加,而且其顆粒外形的不規則程度也在增大。圖2為用后鋁鎂碳磚再生料中幾種典型顆粒的顯微照片,其中只有圖2(a)中呈現的是基本保持原磚中骨料形態的礬土顆粒(邊緣已出現明顯的反應帶),而圖2(b)～圖2(d)中呈現的顆粒均為假顆粒,顯然,假顆粒的形態有多種多樣,尤其是圖2(d)中的顆粒,其形狀極其不規則。

假顆粒與一次顆粒在組成、結構及外形上均存在較大差異,且測試表明各級再生料中含有近40%的假顆粒,因此,相當數量假顆粒的存在極有可能影響再生制品的性能。

2.2 再生鋁鎂碳制品的顯微結構

圖3為采用部分再生料(以表2中試樣S0的配比為基礎,將骨料中再生料與礬土配比調整為1∶1)制備的鋁鎂碳磚試樣的顯微結構。從圖3中可以看出,再生鋁鎂碳磚的整體結構比較均勻、致密程度也比較好,再生料顆粒與基質結合情況良好,沒有明顯的結構缺陷。

但是,在再生鋁鎂碳磚試樣中偶爾能夠見到發生二次破碎的假顆粒(見圖4),即在骨料顆粒內部和邊緣形成了較多裂紋和孔隙,使整個顆粒碎裂成為更小的顆粒,這應當是假顆粒中的骨料顆粒在之前的使用過程中產生了熱震裂紋,在再生試樣成型過程中由于壓力的作用,此骨料顆粒沿熱震裂紋發生碎裂。從結構上看,假顆粒中的這種二次破碎現象會對再生制品的致密性和強度產生一定的影響。

2.3 再生料粒度對再生試樣常溫性能的影響

圖5為再生試樣的常溫性能檢測結果。為了避免混碾造成再生顆粒料的二次破碎,本組試驗采用機械攪拌混料方式。

從圖5中可以看出,用再生料替代全部礬土的試樣S1的耐壓強度明顯低于不含再生料試樣S0的耐壓強度,二者相差13 M Pa,這表明全部使用再生料制備的再生鋁鎂碳制品強度偏低,很難達到鋁鎂碳標磚的強度要求。試樣S4和S7的耐壓強度(約為49 M Pa)最高,比試樣S0的耐壓強度還高出4 M Pa,并且這兩個試樣的顯氣孔率與試樣S0的相近,其偏差不大于0.5個百分點,這表明再生料以粗、中顆粒方式加入有利于提高再生鋁鎂碳制品的耐壓強度。在所有試樣中,試樣S6的顯氣孔率(8.7%)最低,比試樣S0的顯氣孔率低1.7個百分點,這表明再生料以中、細顆粒方式加入時,其物料形態及粒度組合可能最有利于實現再生鋁鎂碳制品的顆粒緊密堆積。

圖2 再生顆粒的幾種典型形態Fig.2 Several typicalmorphologies of renewable particles

圖3 再生鋁鎂碳制品的顯微結構Fig.3 M icrostructure of reproductive Al2O3-MgO-C product

圖4 再生制品中發生二次破碎的假顆粒Fig.4 Broken pseudo-particle in renewable sample

圖5 再生鋁鎂碳制品的常溫性能Fig.5 Propertiesof reproductive Al2O3-MgO-C products

2.4 混料方式對再生試樣常溫性能的影響

按試樣S0和S1的配比方案進行配料后,分別采用混碾和機械攪拌兩種方式進行混料。表3為采用不同混料方式制備的試樣常溫性能指標。

表3 混料方式對再生鋁鎂碳制品性能的影響Table 3 Effect of m ixing ways of materials on properties of reproductive Al2O3-MgO-C products

從表3中可以看出,兩種不同的混料方式對試樣的各項性能指標產生了明顯的影響。對于不含再生料的試樣S0,混碾作為樹脂結合含碳制品的混料方式的優勢得以充分體現,與機械攪拌方式相比,混碾方式不僅使試樣S0的耐壓強度提高了4 M Pa,而且使其顯氣孔率降低了2.8個百分點。然而對于再生試樣S1,雖然混碾方式使其耐壓強度得到更大幅度的提高,但其顯氣孔率卻增加了2.1個百分點。為了分析再生試樣S1產生上述現象的原因,對混碾后的物料進行處理并作篩分,所得結果列于表4。

表4 混碾前后各級骨料粒度組成(wB/%)Table 4 Compositionsof aggregate size beforeand after m ixingm ill

從表4中可以看出,不含再生料試樣S0混碾后的粒度組成有所改變,其中5～3 mm粒級的顆粒含量減少,3～1 mm、1～0.088 mm粒級的顆粒含量增多,這顯然是因為物料中部分粗顆粒在混碾時被壓碎而使粒度細化。至于試樣S0經混碾后3級骨料總量增加5.1個百分點,主要是由于混碾后試樣的脫酯處理不夠干凈(顆粒表面殘留少量細粉)所致。

相對于試樣S0,混碾對再生試樣S1粒度組成的影響要大得多。比較混碾前后S1試樣的骨料粒度組成,其中5～3 mm粒級再生料含量大幅減少10.6個百分點(相對變化幅度接近60%),顯然,這種變化應當是源于粗顆粒再生料在混碾過程中的二次破碎。就5～3 mm粒級再生料而言,其中保持原磚骨料形態的顆粒冷態強度不會低于假顆粒,而再生料中假顆粒含量僅約40%,因此大部分甚至全部假顆粒均可能發生二次破碎,并且還會有部分保持原磚骨料形態的再生顆粒也發生二次破碎。另外,混碾前后3～1 mm粒級再生料的含量變化不大,僅略減0.8個百分點,而1～0.088 mm粒級再生料的含量增加9.6個百分點(相對變化幅度接近30%),再結合混碾后試樣S1的3級骨料總量略有減少,基本可以斷定3～1 mm,甚至1～0.088 mm粒級再生顆粒料也會發生二次破碎,但明顯較5～3 mm粒級再生料發生二次破碎的顆粒數量少。

結合表3和表4中的試驗結果,可以進一步明確假顆粒對再生試樣性能的影響。全部采用再生料并采用機械攪拌方式混料的試樣S1耐壓強度最低,這是因為攪拌混料方式下,假顆粒很少發生二次破碎,而在耐壓強度檢測時則表現出其強度缺陷;混碾雖然使假顆粒的強度缺陷在混料過程中得到釋放,使試樣S1的耐壓強度由32 M Pa升至46 M Pa,但是過多的假顆粒二次破碎,導致其顯氣孔率由9.2%升至11.3%。

在用后鋁鎂碳磚或含碳耐火材料的回收利用過程中,通過混碾方式去除再生料中的假顆粒或消除假顆粒的結構缺陷以獲得結構與強度更好的二次再生料,有利于制備性能優良的再生制品。

3 結論

(1)用后鋁鎂碳磚再生料中含有約40%與廢磚相組成和結構相似、骨料和基質并存的假顆粒,其組成、結構及外形的均勻程度均遠不如一次骨料顆粒。

(2)混碾可使用后鋁鎂碳再生料中假顆粒發生二次破碎,且粒度越大,發生二次破碎的顆粒數量越多。

(3)假顆粒二次破碎導致試樣粒度組成發生改變,進而影響試樣的密度和耐壓強度。

[1] 田守信.用后耐火材料的再生利用[J].耐火材料, 2002,36(6):339-341.

[2] 李光輝.日本耐火材料的回收利用[J].耐火材料, 2001,35(2):75-78.

[3] Eschner A.ECO-management of refracto ry in Europe[C]//Proceedingsof UN ITECR’03.Osaka,Japan,2003:5-12.

[4] Smith J D,Peaslee K D.Spent refracto ry waste recycling from non-ferrous metals manufacturers in M issouri[C]//Proceedings of Fourth InternationalSymposium on Recycling of Metals and Engineered Materials.Warrendale,Pennsylvania:The M inerals,Metals&Materials Society,2000:22-25.

[5] 尚鵬鋼.含碳半成品廢磚回收利用方法研究[J].四川冶金,2008,30(2):64-65.

[6] 趙云松,鮑中誠,王炎平,等.利用含碳廢磚生產鋼包用鎂碳磚和鋁鎂碳磚[J].耐火材料,2007,41 (1):59-60,67.

Pseudo particles phenomenon and its effect on properties of reproductive Al2O3-MgO-C bricks

Fan B ing,W u Yunyun,Shi Chuan,L iang Yonghe,N ie Jianhua
(The State Key Laborato ry Breeding Base of Refractories and Ceramics,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

The microstructure and compositions of the renewable particles crushed from the used A l2O3-M gO-C bricks were analyzed.The effect of pseudo particles on the p roperties of rep roductive A l2O3-M gO-C brickswas studied by changing themixture of materials and the addition of the renewable particles.The results show that the compositions and structure of about 40%of the rep roductive A l2O3-M gO-C particles,or pseudo particles,are similar w ith those of the used bricks,and pseudo particles are secondary ones formed by aggregate and matrix.The compositions,structure and appearance of p seudo particles are far different from those of p rimary aggregate particles.By m ixing,p seudo particles in the rep roductive A l2O3-M gO-C particles are re-crushed;and the bigger the grain size is, the higher the quantity of the re-crushed particles is.The re-crushing of pseudo particles w ill lead to the change in grain composition and further influence the density and strength of the samp les.

used refractory;recycling;pseudo particle;rep roductive alumina magnesia carbon brick

TQ175

A

1674-3644(2010)06-0609-05

[責任編輯 尚 晶]

2010-05-24

范 兵(1984-),男,武漢科技大學碩士生.E-mail:xinxuc310@yahoo.com.cn

吳蕓蕓(1956-),女,武漢科技大學副教授.E-mail:naihw yy@126.com