镁碳砖的结合剂主要是液态的热固性酚醛树脂,镁碳砖干燥的过程实际上就是热固性酚醛树脂的固化过程,所以镁碳砖成型完毕后需要进行干燥处理。
随着温度的升高,热固性酚醛树脂的会发生非常复杂固化反应,这种反应不仅取决于反应温度、原料结构、酚羟基邻对位的活性,而且和合成树脂时选用的催化剂有关,热固性酚醛树脂加热固化时一般分为两个阶段。
第一阶段:
温度低于℃的时候,主要反应是分子链加长,羟甲基与其它分子上活泼氢发生反应,脱去一分子的水,形成亚甲基键。羟甲基与其它分子上的羟甲基发生反应,脱去一分子的水,形成二苄基醚。以上两个过程是第一阶段固化反应的主要反应,此外还有一部分其他的反应。
第二阶段:
当温度超过℃后,第二阶段的反应开始剧烈,一直到℃左右,高温状态下酚醛树脂反应非常复杂,主要包括二苄基醚的进一步反应,二苄基醚键不稳定,易分解成亚甲基键,并逸出甲醛;还有第一阶段未反应完的酚醇继续反应。第二阶段反应特点是固化物成红棕色,颜色更深点可能是深棕色,这时主要生成的是亚甲基苯醌及其聚合物,反应生成的固形物越来越多,粘度越来越大,它们主要的连接形式是亚甲基键,其固化温度为~℃。
根据热固性酚醛树脂的固化原理,一般将镁碳砖的热处理温度设定在℃。保温时间一般在10小时以上,之所以热处理温度设定在℃,是因为这个温度既能保证树脂完全固化,也不会消耗太多的热能,而且用普通的燃料和窑炉很容易达到这个温度,是一个比较经济适用的温度。
为了保证℃的热处理温度,各个企业根据自身特点设计了很多不同形式的窑炉。根据窑炉的发热形式可分为煤窑、电阻丝窑和微波热处理窑,这三类窑炉各有自己的特点,下面将逐一介绍。
镁碳砖常用热处理窑炉的种类
1、煤窑
煤窑是早期镁碳砖生产厂家最早采用的一种热处理窑,煤窑设计的时候将烟道分布在窑内,如图1所示,刚刚维修过的部位即为损毁的烟道,当煤燃烧时高温的烟气从烟道走过,从而使窑内温度升高。煤窑设计的时候基本上没有任何电器辅助设备,只有在窑头和窑尾各有一个温度计,用来观察窑内温度。
煤窑作为一种热处理方式被人所采用,则必定有它一定的特点。镁碳砖刚开始出现的时候,人们对它的外观其实并不太注重,使用效果的好坏更能吸引人们的眼球,所以这种很原始的窑炉就进入了人的视线,只要达到了镁碳砖热处理的效果就可以了,所以他的很多缺点就被人忽视了。
2、电阻丝窑
随着镁碳砖的发展,人们对热处理窑的要求越来越高,这时候煤窑的很多缺点开始显露出来,比如说窑温的不稳定,产品外观不美观,烟雾熏烧痕迹严重等等。于是人们开始设计电阻丝窑来替代煤窑,图2即为电阻丝窑内部排列的用于加热的电阻丝,电阻丝窑相对于煤窑来说很多优点:
(1)升温速度快,温度均匀,温度控制精确;
(2)生产环境好,无灰尘,无熏烧痕迹;
(3)全程自动化控制,无需人为干扰,安全度高;
(4)由于电阻丝窑是全窑均匀加热,温度均匀稳定,所以整个窑体寿命长,基本上能做到全程无需维修,唯一需要跟换的就是电阻丝。
图1煤窑由以上几点就可以看出采用电阻丝窑是现代化生产的趋势,完全取代煤窑是指日可待的,事实上也证明了这一点。当然相对于电阻丝窑来说煤窑并不是一无是处,它有一个不可忽略的优点,那就是热处理成本低,根据实际生产比较,煤窑热处理一吨镁碳砖的成本比电阻丝窑热处理一吨镁碳砖的成本要低30~50元,现阶段除了少数比较落后的生产厂家和追求低成本的厂家还保留了一部分煤窑外,其余厂家基本上都是电阻丝窑。
3、微波热处理窑
微波热处理窑是一种新型热处理设备,虽然它的理论依据很早以前就已经确立了,而且早已应用在微波炉上,但其真正投入到工业化生产上来的时间并不太长,其很多技术和经验并不像电阻丝窑那样丰富,特别是镁碳砖的热处理过程,不仅仅是水分挥发的过程,还是酚醛树脂固化的过程。
对于只干燥水分来说,微波热处理窑有以下特点:
(1)干燥速度快,节省时间。常规方法如:蒸汽干燥法、电热干燥法、热风干燥法等,将含水量在30%左右的坯体脱水至含水量在1%以下,至少需二十几个小时,而采用新型的微波热处理设备仅仅只需要二十多分钟即可完成;含水量在10%左右的坯体脱水至含水量在1%以下采用常规方法需十多个小时,而采用新型的微波热处理设备仅仅需要十多分钟;而含水量在5%左右的坯体脱水至含水量在1%以下采用常规方法需六到七个小时,采用微波热处理设备几分钟就能完成。
图3微波热处理窑(2)能源利用率高,便于操作。因为微波是直接作用于物料的,所以没有额外的热量消耗,而常规发热式的干燥设备,受环境的影响热损失很大,特别是冬天热损非常大。而且微波热处理设备加热速度快,随用随开,不用像常规发热式干燥设备那样需要升温降温,节省了热量。同时功率可调,操作方便。
(3)效果好,能保持物料原色,不开裂。微波加热不需要介质来进行热传导,微波直接作用于物料,使其自身发热,升温速度快,温度均匀,不会造成物料裂变现象。
(4)流水线式操作,工作环境好。相对于普通的热处理方法而言,微波热处理设备简洁明了,占地面积小,附属设备少,只要有最基本的条件水、电就可以投入生产。相比而言,一般可节电30%~50%,优化工作条件,节省工作占地面积。而且设备操作简单,整套设备的操作只需三人左右,运行时噪音小,极大地改善了现场工作环境。
黄汉生指出在微波炉中,通过一个微波发生器产生高频振荡的交变电场,使置于电场中的极性分子吸收微波能,并通过分子间的碰撞、摩擦将微波能转化为热能,该热能促使热固性树脂发生交联反应,从而达到固化的目的。郭玉香,曲殿利通过实验得出微波对镁碳砖进行热处理可以在较低的温度较短的时间内获得砖坯强度,改善镁碳砖的显微结构和宏观性能;微波热处理镁碳砖使其性能提高的原因在于镁碳砖中形成了连续网状结构的碳,与镁砂颗粒结合紧密;在实验范围内微波加热的最佳工艺条件为微波输出功率W,热处理时间10min。虽说如何选择微波热处理窑来热处理镁碳砖已经有了一些研究,但是这些成果还远远不够,还需要人们进一步摸索和总结。
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