不定型耐火材料属于无规定的形状和状态的材料,是用合理级配的粉状料和粒状料与黏合剂共向混合组成的混合料,通常按使用要求而分别制成浆状、泥膏状或松散状,故又称散状耐火材料,往往不经成型和烧结而直接使用,主要用于构筑无接缝的整体构筑物、耐火砖砌成设备内衬的填缝及修补、高温炉出口堵塞用的泥料、塞孔材料(炮泥)、炉衬材料等。
不定型耐火材料大多由施工工艺而定,它们因施工工艺的不同而在组成、物料特性(流动性、可塑性等)、应用领域等方面有所不同。下面为几种按施工工艺分类的不定型耐火材料及其主要特征和施工方法。不定型耐火材料在大多数场合因施工成型所加外力较小,因而在烧结前后其气孔率均较高,机械强度较定型材料低,耐侵蚀性不高,但抗热震性较好。
不定型耐火材料的制备工艺涉及原料选择、粉碎与筛分、配料、混合等工序,如图所示。不定型耐火材料只要将原材料选定,并按要求制备符合要求颗粒度的粒料,再经计量、混合,混合均勾后即可得到耐火材料,经检测即可包装。从定型耐火材料角度来看,不定型耐火材料仅是一种半成品。不定型耐火材料的制备过程简便,设备投资少,生产效率及成品率均高,能耗也低。
混合是耐火材料制务工艺中比较关键的一种操作。混合是使两种以上物料均匀化并促进物料颗粒接触和塑化的操作过程。混合在专用的混合(炼)机中进行,物料混合过程中有一定程度的挤压、捏合、排气作用。酚醛树脂黏合剂的混合工艺按操作温度分为冷混法和热混法两种。冷混法是在常温(20~30℃)下混合,可选用常用的酚醛树脂,也可用热塑性酚醛树脂,冷混法显然比较节能。热混法是在较高温度(60~90℃)下进行混合,是强化黏合剂对粉料和/或粒料的浸润,混合温度主要由所用树脂的软化点决定,通常混合结束后出料前的料温比黏合剂的软化点高1倍左右时,树脂对矿物原料粉料和/或粒料的浸润效果较好,且可增加坯料塑性。热混法由于操作温度较高,树脂易交联固化,所以宜选用热塑性酚醛树脂。耐火材料的混合也可用分步混合法,即首先用大部分树脂黏合剂与粗粉粒料混合,然后再用剩余黏合剂与细粒料混合,最后两者一起混合。
在混合过程中将配料和酚醛树脂加入,要使其达到均一性就必须控制好混合温度、混合时间和选用好合适的混合器线或设备。要制得性能优良的耐火材料还需考虑黏合剂的浸润性、溶剂等挥发物的释放等因素,例如,酚醛树脂对石墨的润湿性不好,就要采取措施使树脂的浸润性提高,如改变使用溶剂等。又如, 黏合剂中挥发物的释放也影响耐火材料的性能,如多孔性等。
在混合过程中应特别注意黏合剂的混合工艺性能。例如,生产镁碳砖原料为MgO含电力98%的烧结镁砂、MgO含量为91%的电熔镁砂和固定碳含量为94%~95%、灰分在5%左有的天然鳞片状石墨,黏合剂为热固性酚醛树脂(液体)和热塑性酚酚醛树脂(粉体)复合黏合剂。混合的加料顺序为:镁砂骨料+融合剂+石墨+细粉和添加剂。为使熟合剂在用量尽可能少的情况下能完全包覆镁砂表面形成薄而均匀、完整的液膜(液膜厚,易产生层裂,经炭化后气孔也大),就要求黏合剂强度较低。但在加入石墨时又希望带有液膜的镁砂颗粒尽时能多地黏附上石墨,避免石墨自身聚集,这又需要融合剂黏度较高、形成的液膜有足够的强度和黏合力。
酚醛树脂黏度首先取决于其分子量大小,同等分子员的酚醛树脂液体黏度还受到固含量、游离酚含量、水分含量等的影响。温度是最重要的混合工艺参数之一,环境和混合过程中温度的变化都导致酚醛树脂黏度的改变,从而影响混合。有时树脂在夏季具有混合所需的恰当黏度,在冬季却不能被均匀地分散包覆镁砂颗粒表面,且因液膜厚。成型易产生层裂,炭化后气孔大。又如混合过程因加热或因机械能转化为热能导致物料的温升,一方面可降低树脂强度,另一方面又会因溶剂、水分等低分子物的挥发,尤其是树脂固化反应使树脂黏度上升。
为了更好地稳定酚醛树脂液体的黏度,除了严格控制所选树脂的技术指标外,还可采取某些措施来实现。例如,用较高沸点的乙二醉溶剂替代乙醇,减弱了因溶剂挥发而造成树脂黏度上升,其结果是混合稳定性、混合料成型性均好,层裂现象反气扎率下降,溶剂用员也有所下降。又如用液体热固性酚醛树脂与固体粉末热塑性酚醛树脂配合使用,可控制树脂的强度。在镁碳砖的生产中,总合有一部分镁砂和石墨未能被液体树脂充分浸调和包覆,而呈浮游状态,从而影响结合强度。若在加入石墨之后再补加一定数量的热塑性酚醛树脂粉末,它并不增加此的加入的液体酚形树脂包覆膜的厚度,而存在于浮游的镁砂和石墨细粉中,弥补了液体树脂浸润和包覆不足的缺点。此法较好地提尚了镁碳砖的碳结合量及结合强度。