中间包干式振动料技术解析：从材料特性到结合剂系统

在不定形耐火材料领域，中间包干式振动料（Tundish Dry Vibrating Mix）是一种独特的存在。它完全摒弃了水或任何液体结合剂，仅依靠振动施工即可形成致密而均匀的整体结构。其强度则是在后续加热过程中，通过热固性结合剂的固化或陶瓷烧结而赋予的。这种材料主要由耐火骨料、粉料、烧结剂和微量外加剂构成。

其最引人注目的特点在于独特的“梯度烧结”行为。在使用中，仅有接触钢水的工作面会快速烧结，形成一层具备高强度的致密工作层；而非工作面则依然保持着部分未烧结的原始致密堆积状态。这种独特的结构带来了多重优势：

• 应力缓冲：未烧结层能够有效缓解因热膨胀或收缩而产生的内部应力。
• 裂纹抑制：松散的后备层结构有助于阻碍裂纹的扩展与延伸。
• 防渗透与易清理：致密的工作层有效抵御金属熔体侵入，而未烧结的背衬层使得炉衬拆除和清理工作更为便捷。

由于采用现场振动干法施工，其施工过程简便、周期短，并允许快速升温投用，显著提升了生产效率。常见的中间包干式振动料按材质可分为镁质和镁钙质等。

关键性能指标与评判标准

在全无水的体系中，结合剂的选择变得尤为苛刻和关键。理想的结合剂必须满足几个条件：常温下不与镁砂等碱性原料反应；在200-300°C加热后能提供足够的早期强度以便于脱模；而在1550°C左右的高温工作条件下，又能促进材料烧结成一个坚固的整体，确保其高温服役性能。

下表列出了一系列企业生产的镁质和镁钙质干式振动料的关键理化指标，这些参数是评估其性能的基石。

表1 企业生产的中间包用镁质和镁钙质干式料理化指标

要精确验证材料是否达到上述表格中的各项严苛标准，需要依赖精密的实验设备和标准的检测流程。因此，要获得可靠且具有说服力的性能数据，对样品制备、测试环境控制和数据解读都有极高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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核心要素：结合剂体系的技术路线

干式振动料的性能很大程度上由其结合剂体系决定。目前，技术路线主要分为两大类：有机结合剂与无机结合剂。

有机结合剂：以酚醛树脂为例

有机结合剂主要以酚醛树脂和葡萄糖为代表。其中，热塑性酚醛树脂（又称Novolac树脂）是应用最广泛的一种。它是由工业苯酚和甲醛在酸性催化剂作用下缩聚而成的高相对分子质量固体有机物。

图1 热塑性酚醛树脂的结构通式（图中省略了对位及支链结构）

这种树脂的缩合度 n 通常在4-12之间，常见为7，相对分子质量约在400-1000范围内。一个关键的化学特性是，热塑性酚醛树脂分子中不含活性的羟甲基，因此自身受热不会固化。它的硬化过程必须依赖于硬化剂——六亚甲基四胺（乌洛托品）的加入。在加热条件下，六亚甲基四胺作为架桥剂，与酚醛树脂反应，形成稳定的三维网络结构，从而使材料固化。

图2 六亚甲基四胺架桥的热塑性酚醛树脂的硬化反应和硬化物结构模型

图3 由六亚甲基四胺架桥的热塑性酚醛树脂

图4 固化反应中的结构示意

这一硬化反应大约在120-130°C时开始变得剧烈。硬化速度与六亚甲基四胺的添加量密切相关，其用量通常控制在树脂质量的5%至15%之间。

随着温度继续升高，固化后的树脂在200-800°C的温区会发生分解，释放出CO₂、CO、CH₄、H₂及H₂O等气体，同时生成“固定碳”。这个碳化过程是至关重要的，它会在耐火骨料颗粒间形成一个原位的碳网络结构，为材料提供优异的高温强度和抗侵蚀性。

图5 经600°C左右热处理后的酚醛树脂碳化结构模型

无机结合剂：清洁与环保的技术路径

无机结合剂的开发，主要旨在规避有机结合剂可能带来的问题。其核心优势在于：

• 不引入碳和氢：避免了对钢水的增碳、增氢，对于冶炼超低碳钢、洁净钢等高端钢种至关重要。
• 环境友好：烘烤过程中不产生苯酚、甲醛等刺激性有害气体。
• 性能优异：能够提供良好的抗侵蚀性、易解体性，并且在中低温下即可获得满足脱模和使用要求的强度。

常用的无机结合剂包括聚磷酸盐、固体水玻璃和硼酸。

• 六偏磷酸钠 ((NaPO₃)n): 这是一种玻璃体状的聚合物，由磷酸二氢钠加热脱水缩聚制得。其吸湿性强，极易溶于水。在约500°C的加热过程中，它能与镁质原料反应生成聚磷酸镁 [Mg(PO₃)₂]n 和 [Mg₂P₂O₂]n，这些新生成的物相能够将材料颗粒牢固结合，使材料在出现液相前的大范围温度区间内都保持相当高的强度。

• 三聚磷酸钠 (Na₅P₃O₁₀): 作为白色粉末，其吸湿性远小于六偏磷酸钠，更便于储存和使用。受热时，它发生的聚合作用同样能提升材料强度，且不会因相变导致制品结构疏松。因此，采用三聚磷酸钠作为结合剂的镁质材料从常温到中温通常都具有较高的强度和良好的抗热震性。

• 水玻璃 (R₂O·nSiO₂): 作为一种经典的无机结合剂，水玻璃能赋予耐火材料较高的强度、抗热震性和耐磨性。但其耐温性有限，最高使用温度一般不超过1200°C，因此在干式料中主要扮演中温结合剂的角色，负责提供中温区的强度过渡。

• 硼酸: 在镁质这类碱性耐火材料体系中，加入酸性的硼酸可以在特定温度下诱发化学反应，起到促进烧结的作用。这不仅有利于缩短烘烤时间，还能有效提升烘烤后的材料强度。

有机与无机路线的选择，往往需要基于最终钢种的洁净度要求、成本模型和工艺条件进行综合权衡。如果您在实际工作中也面临类似的配方优化与性能评估挑战，我们非常乐意与您一同探讨解决方案。