三、THERMAX®N990在不定形耐火材料中的應(yīng)用
不定形耐火材料是把粗大和細(xì)小的耐火材料制作成粉狀，然后現(xiàn)場施工時(shí)添加粘結(jié)劑，混合均勻再使用的一種耐火材料。不定形耐火材料中的炭含量一般在3%wt以下，遠(yuǎn)比鎂碳磚中的碳含量要低，但是性能要求卻沒有降低，因此對碳的耐腐蝕和耐化學(xué)性能要求更高。而且不定形耐火材料使用前未經(jīng)燒結(jié)，顆粒間只能靠粘結(jié)劑的作用使其粘結(jié)為一個(gè)整體。不定形耐火材料的發(fā)展中，粘結(jié)劑的使用是關(guān)鍵，一般采用水或者水泥�；旌狭现猩儆盟�，可以改善不定形耐火材料的性能。傳統(tǒng)澆注料的用水量大于10%，而上個(gè)世紀(jì)80年代至今，高技術(shù)澆注料用水量在4%左右。THERMAX ®N990的pH值是炭材料中最高的，因此THERMAX ®N990可以與堿性的氧化物和碳基耐火材料較好的相容，所以THERMAX ®N990的加入，可以在減少用水的情況下達(dá)到目標(biāo)碳含量和澆注黏度。
炭黑在生產(chǎn)過程中，因生產(chǎn)工藝的條件，在局部會(huì)結(jié)焦形成硬碳，篩余物含量主要就是硬碳。如果炭黑的篩余物含量過大，炭黑就不容易分散。從表1.3看出THERMAX®N990的325目篩余物含量低并且結(jié)構(gòu)低，所以在澆注料中的分散程度高。石墨和炭黑相比，因?yàn)槭菍訝罱Y(jié)構(gòu)，，每一層是由重復(fù)的等邊六邊形構(gòu)成，層和層之間靠范德華力吸引，所以石墨的粒徑要比THERMAX®N990的粒徑大，而且THERMAX®N990炭黑粒子的硬度柔軟，加工時(shí)也易于分散。因此和石墨相比，THERMAX®N990炭黑能夠更好的分散在不定型耐火材料中。分散度越高，耐火材料的堆積密度越大，從而降低制品的氣孔率，性能就越好，使用壽命越長。
石墨因?yàn)槭菍訝畹慕Y(jié)構(gòu)，所以可以根據(jù)力學(xué)平衡條件，通過楊氏方程求出爐渣對石墨的潤濕角θ>90°，因此爐渣是不能潤濕石墨的，這就是石墨能抵抗?fàn)t渣的原因。THERMAX®N990粒徑通過SEM照片看出是球狀的，爐渣在球面的潤濕是通過能量最低的原則求出，球面比平面更難潤濕，因此THERMAX®N990比石墨有更好的耐爐渣性能。
THERMAX®N990是高純度的甲烷氣體在隔絕氧氣下產(chǎn)生，所以碳含量很高，極低的硫含量和灰分，并且碳自身是惰性的，因此THERMAX®N990顯示出優(yōu)異的抗氧化性能和耐化學(xué)腐蝕性能。表3.1是THERMAX®N990在化學(xué)電子能譜學(xué)分析（ESCA）下得到的數(shù)值。ESCA可以測量材料表面達(dá)到50×10-10m深度的化學(xué)性質(zhì)。碳和氧是THERMAX®N990是表面僅能分辨的元素，證明了其高純度。
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元素
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碳%
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氧%
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硫%
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THERMAX®N990
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98.4
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1.6
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0
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表3.1 THERMAX®N990在化學(xué)電子能譜學(xué)分析（ESCA）下 的測量值
美國的專利中[4, 5]，對含有THERMAX ®N990的澆注料耐火材料做過系統(tǒng)的研究。專利中指出THERMAX ®N990能克服硅微粉、鋁微粉等細(xì)粉微粒的局限，減少用水量的同時(shí)增加耐火澆注料的碳含量和密度及強(qiáng)度。碳的熔點(diǎn)很高，線膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱型好，可以滲透到澆注料的顆�？紫秲�(nèi)或在顆粒之間形成脈狀網(wǎng)絡(luò)彈鏈結(jié)構(gòu)，形成"碳結(jié)合"，提高耐火材料的高溫強(qiáng)度，THERMAX®N990的分散性好，網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)均勻。國內(nèi)對THERMAX®N990在澆注料中的研究逐漸開始。圖3.2和3.3是沒添加THERMAX®N990和添加THERMAX®N990后，鐵溝料被爐渣腐蝕和滲透的實(shí)物對比圖。
圖3.2沒有THERMAX®N990的澆注料 圖3.3含2%的THERMAX®N990的耐火材料
圖3.2是沒有添加THERMAX®N990的澆注料被爐渣腐蝕的情況，從圖中可以看出，鐵溝料的內(nèi)層已經(jīng)被別爐渣完全滲透，無論表面還是內(nèi)部都被爐渣嚴(yán)重腐蝕；圖3.3是添加了2%的THERMAX®N990后耐火材料的截面圖，從圖中可以看出，鐵溝料的內(nèi)部完好無損，澆注料的表面只被爐渣腐蝕了1cm。
因?yàn)槟突鸩牧虾鸵苯鹦袠I(yè)是勞動(dòng)密集型行業(yè)，所以環(huán)保設(shè)施和勞動(dòng)條件的改善對員工乃至企業(yè)都有益處。THERMAX®N990炭黑的含硫量很低，因此生產(chǎn)過程中不會(huì)產(chǎn)生H2S氣體，這也符合日益苛刻的環(huán)保要求。
四、THERMAX®N990在泡泥中的應(yīng)用
泡泥主要應(yīng)用在鋼鐵工業(yè)高爐的出鐵口，炮泥的性能對于鐵口的維護(hù)有著非常重要的作用，對于高爐的長壽命起著決定性的作用。出鐵時(shí)，泡泥要承受1500℃以上的高溫，重新堵鐵口的時(shí)候，舊泡泥的溫度急劇降到200℃。如此反復(fù)，泡泥內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生巨大的熱內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)，隨著粘結(jié)劑的揮發(fā)，新舊泡泥的接觸面會(huì)產(chǎn)生大量的氣孔和縫隙，就容易在出鐵時(shí)被沖刷脫落，這個(gè)過程俗稱熱機(jī)械腐蝕。泡泥加入THERMAX®N990后，因?yàn)樘亢谀苄纬删W(wǎng)絡(luò)狀的結(jié)構(gòu)，并且伴有應(yīng)力集中和應(yīng)力分散的平衡，而且THERMAX®N990的純度高，隨著固定碳含量的增加，泡泥的顯氣孔率逐漸降低，因此泡泥能更好的抗熱機(jī)械腐蝕。此外，還能改善泡泥的加工性能，提升泡泥的可塑性，在出鐵的時(shí)候，很好的形成蘑菇狀的出鐵口。
傳統(tǒng)的泡泥粘結(jié)劑使用瀝青和煤焦油，但是瀝青和煤焦油對作業(yè)人員有害，所以在國外已經(jīng)被明令禁止，發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始使用THERMAX®N990炭黑和樹脂在炮泥中代替瀝青和煤焦油。這種泡泥在中低溫時(shí)，由于酚醛樹脂的縮聚反應(yīng)而硬化，炮泥的早強(qiáng)性好，在高溫時(shí)則形成碳結(jié)合，高溫強(qiáng)度優(yōu)良，而且不會(huì)出現(xiàn)堵塞事故，操作十分方便。在酚醛樹脂中使用THERMAX ®N990的優(yōu)勢是N990的大粒徑可以大幅提高樹脂中碳的填充量。用的樹脂減少，則可以減少對水的需求，從而獲得更好的性能。所有這些優(yōu)勢都為改善爐前的工作環(huán)境、減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度起到了積極的作用。
五、結(jié)論
THERMAX®N990因其自身的獨(dú)特性質(zhì)，所以在耐火材料行業(yè)有很大的應(yīng)用優(yōu)勢。THERMAX®N990的平均粒徑為280nm且分布寬，所以能更好填充到耐火材料的縫隙中，降低氣孔率，提高堆積密度， 提升抗熱震性和高溫強(qiáng)度。低灰分含量和炭黑粒子的惰性，能提高耐火材料的抗化學(xué)腐蝕和抗氧化性。極低的硫含量，能改善勞動(dòng)環(huán)境，保護(hù)環(huán)境。THERMAX®N990加入，可以降低鎂碳磚的總炭含量，符合低碳耐火材料的趨勢，滿足低碳鋼冶煉要求。
參考文獻(xiàn)
[1]. 唐光盛，李林，劉波，賀智勇，劉開琪，彭小艷，《納米炭黑對低碳鎂碳耐火材料抗熱震性的影響》，《中國冶金》Vol.18，No.8 August 2008。
[2]. 李佳佳，張梅，王習(xí)東，《新型含碳耐火材料實(shí)驗(yàn)研究》，冶金工程學(xué)院，北京科技大學(xué)，2003屆本科畢業(yè)論文。
[3]. 楊學(xué)軍，丘哲明，胡良全，吳斌，《納米炭黑對酚醛樹脂燒蝕防熱性能的影響》，《固體火箭技術(shù)》，1006-2793（2004）02-0141-04。
[4].US Patent 6,395,662, Non-Slumping Sprayable Refractory Castables Containing Thermal Black. (含熱裂解炭黑的不塌陷可噴射耐火材料澆注料）
[5].US Patent 6,313,055, Refractory Castables Containing Thermal Black. (含熱裂解炭黑的耐火材料澆注料)