THERMAX?中粒子热裂解法炭黑
在耐火材料中的应用
于海元1，张赟1
（1. 中联橡胶有限责任公司，北京，100101）
摘要：本文介绍了THERMAX?中粒子热裂解法炭黑在镁碳砖、不定形耐火材料、泡泥
中的应用。热裂解工艺使得THERMAX?N990有低结构、大粒径等特点。合适的粒径和低结构能提升THERMAX?N990在耐火材料中的分散性，利于脉状网络结构的形成。通过对比实验，THERMAX?N990替换石墨达到8%时，镁碳砖的气孔率最小，抗折强度和抗压强度等综合性能最优。不定型耐火材料中，添加THERMAX?N990到3%左右，能提升耐炉渣性、抗热震性、抗氧化性等性能。结合耐火材料的低碳趋势以及环保要求，分析了THERMAX?N990的应用前景。
关键词： THERMAX?N990、耐火材料、粒径、结构、
Abstract：This article introduces the applications of THERMAX?N990 in
MgO-C bricks，casting refractories and tap hole clay. THERMAX?N990 which is a medium thermal carbon black can improve the main properties of refractories since it has appropriate particle size and low micro-structure. The refractories’ properties, such as high temperature strength, slag-resistance, thermal shock resistance, can be improved by adding THERMAX?N990. THERMAX?N990 also has advantages in low carbon containing refractories which meets the tendency of metallurgical industry development.
Keywords： THERMAX?N990、refractory、particle size、carbon structure
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因为碳和碳质物显示出优良的耐炉渣腐蚀和抗炉渣渗透性能，所以上个世纪以来，碳和碳质物一直被应用在钢炉内的含碳耐火材料中。随着冶金行业的发展，氧气顶吹炉和电炉的出现，钢炉内的热环境和化学环境更加严酷，因此对耐火材料的性能要求也越高。国外很早就有对THERMAX?N990中粒子热裂解法炭黑在含碳耐火材料领域的研究与应用。近年来，随着国内科研工作者对炭黑的研究逐渐深入，THERMAX?N990受到的关注度也越来越高。本文主要介绍了THERMAX?N990在耐火材料中的应用优势。
一、THERMAX?N990的性能结构特点 1.1 炭黑的命名原则
THERMAX?N990是天然气（主要是甲烷）在1300—1400℃的高温下，隔绝氧气热裂解生成。热裂解生产工艺使得THERMAX?N990具有大粒径、低结构等其他炉法炭黑和石墨不具有的独特性能。因为生产过程中隔绝空气，所以和其他形态的炭黑相比，THERMAX?N990的炭含量高，灰分和硫含量低。根据ASTM D 1765的规则，炭黑的命名是采用一个拉丁字母和三个数字的分类命名法。首字母N代表正常硫化速度，S代表缓慢硫化速度；三个数字中的第一个数字代表炭黑的粒径（或比表面积），数字越大表示粒径越大（比表面积越小），如9就代表THERMAX?N990是所有炭黑中粒径最大的。后两个数字由生产厂家命名，但也存在规律可循，第二个数字和第一个数字相同，表示的是标准结构的炭黑。THERMAX?N990的第三个数字0代表炭黑微粒是粒状的。
1.2 THERMAX?N990的微观粒径
图1.2.1是THERMAX?N990在扫描电子显微镜（SEM）下的照片，从图中可以看出THERMAX?N990的粒子大，并呈相对球形，而且粒子团聚少。球形粒子对耐火材料的抗炉渣性能可以发挥独特的性质。根据圆盘离心检测， THERMAX?N990的平均粒子直径为280nm，粒径分布较宽，为100-700nm。
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图1.2.1 THERMAX?N990在扫描电子显微镜（SEM）的照片
1.3 THERMAX?N990的结构特征
炭黑在粒子间聚集的地方以化学键连接，形成团聚状的一次结构，一次结构不易被破坏。一次结构形成后，一次聚集体彼此再通过范德华力相互吸引，形成炭黑的二次结构，但是二次结构在混合时易被剪切力破坏。一次结构和二次结构的总和就是炭黑的总结构。炭黑的结构越低，团聚程度就越低，在混合时就越容易分散。图1.3.1是THERMAX?N990和其他炉法炭黑的直观图（注：图中炭黑粒径不成比例）。炭黑的结构以每100克炭黑吸收的邻苯二甲酸二丁酯（DBP）的值来表示，表1.4.1列出了THERMAX?N990包括DBP吸收值等几个重要指标。
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图1.3.1 N990，N762，N550的结构比较（注：图中炭黑粒径不成比例） 1.4 THERMAX?N990的性能指标
因为THERMAX?N990在造粒过程中采用的是干法造粒，与传统的湿法造粒不同，所以炭黑中的水分含量很低，接近0，可以很好的应用在对含水量要求苛刻的耐火材料中。极低的硫含量有助于环保，也有利于改善操作环境。表1.4.1列出了THERMAX?N990根据ASTM标准测出的重要指标数据。
性能指标 形态 325目网筛余物（PPM）最大值 水分含量% 灰分含量最大值% pH 硫含量PPM 堆积密度 g/cm3 粒子硬度 加热减量%（最大值） DBP ml/100g 氮表面积m2/g 平均粒径，nm 测试方法 ASTM D1514 ASTM D1506 ASTM D1512 ASTM D5230 ASTM D1509 ASTM D2414 ASTM D6556 THERMAX?N990 无定形 15 0.0 0.02 9-11 60 0.64 8.0 0.1 34-44 7-12 280
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粒径分布nm 100-700 表1.4.1 THERMAX?N990的性能指标
二、THERMAX?N990在镁碳砖材料中的应用 2.1 原料和试样制备
THERMAX?N990可以与其他形态的碳比如鳞片石墨一起并用，应用在镁碳砖、钢包渣线砖等相关耐火材料中。表2.1.1是镁碳砖添加不同比例的THERMAX?N990和石墨的样品[2]。其中MgO-C砖，每块7.2Kg。用THERMAX?N990分别替换2%wt，4%wt，6%wt，8%wt，10%wt的石墨，分别制成不含炭黑的1号样品和炭黑替换的2-6号样品。
成份 编号 （34%） （30%） 1 2 3 4 5 6 2.15 2.15 2.15 2.15 2.15 2.15 1.9 1.9 1.9 1.9 1.9 1.9 （16） 1 1 1 1 1 11 （20%） 1.27 1.27 1.27 1.27 1.27 1.27 0.86 0.72 0.576 0.432 0.228 0.144 0.57 0.58 0.59 0.44 0.56 0.56 0 0.144 0.288 0.432 0.576 0.72 5-3mm电熔MgO（Kg） 石墨3-1mm 1-0mm细粉（Kg） 酚醛树脂（Kg） N990（Kg） 表2.1.1 镁碳砖添加不同比例的THERMAX?N990和石墨样品
2.2 结果与讨论
表2.2.1是各个样品的测试性能[2]。可以看出THERMAX?N990的加入，显著的改善了镁碳砖的气孔率、抗压、抗折强度，当THERMAX?N990替换石墨达到8%（样品5）的时候，气孔率最小，抗折强度和抗压强度的综合性能也最优。 性能 样品 体积密度（未排除气孔）g/cm3 真密度（已排出气孔）g/cm3 显气孔率% 抗压强度MPa 1 3.605 3.144 13.64 25.29 2 3.204 2.948 8.00 25.07 3 3.128 3.008 3.85 26.07 4 3.155 3.000 3.7 30.38 5 2.939 2.838 3.45 35.26 6 3.152 2.919 7.41 39.06
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