超微粉對耐火澆注料性能的影響

2005-04-15 00:00  留言

    摘要:本文主要論述了超微粉的性能及作用機(jī)理，討論了硅灰和α-Al2O3微粉對耐火澆注料加水量、成型性能、強(qiáng)度和抗渣性能的影響。結(jié)果表明：
    （1）兩種微粉配合使用，材料性能較好；
    （2）單獨(dú)使用一種微粉時(shí)，硅灰效果優(yōu)于α-Al2O3微粉；
    （3）當(dāng)α-Al2O3微粉用量一定時(shí)，增大硅灰，水用量顯著降低；
    （4）本試驗(yàn)條件下，超微粉適宜用量：硅灰 6%，α-Al2O3微粉 2%，此時(shí)加水量、成型性能、強(qiáng)度和抗渣性能最優(yōu)。

關(guān)鍵字:超微粉-耐火澆注料-耐火材料

1. 前言

　
在研制開發(fā)新產(chǎn)品的過程當(dāng)中，作者遇到了超微粉的使用問題。

超微粉對耐火材料性能的影響非常大，是配制低水泥系列澆注料的技術(shù)關(guān)鍵。超微粉的品種選擇是否得當(dāng)，其用量是否適宜，直接關(guān)系到耐火澆注料的使用效果。為此本文詳細(xì)論述了超微粉的作用機(jī)理及其對耐火澆注料性能的影響，最終為新產(chǎn)品開發(fā)選取了超微粉的最佳用量。
　　
眾所周知，傳統(tǒng)水泥耐火澆注料，由于水泥用量較高，能夠獲得足夠的常溫強(qiáng)度。但是，中溫時(shí)水泥的晶型轉(zhuǎn)變會使強(qiáng)度顯著降低；且水泥會帶入3~10%的CaO，與料中的SiO₂和α-Al₂O₃反應(yīng)，生成低熔點(diǎn)的鈣長石（CAS₂）或鈣鋁黃長石（C₂AS），從而導(dǎo)致了材料高溫強(qiáng)度和抗侵蝕性的降低。而超微粉和高效外加劑的引入，則可以大大改善這種狀況。能夠配制出性能優(yōu)良的低水泥、超低水泥和無水泥澆注料。該類材料觸變性較好，中溫強(qiáng)度不下降，性能優(yōu)良，已廣泛應(yīng)用于冶金、建材、石化、電力等各個(gè)領(lǐng)域，獲得了良好的使用效果。

    2．超微粉的性能及作用機(jī)理

    2.1超微粉的性能
　　
    超微粉技術(shù)是低水泥系列耐火澆注料的關(guān)鍵技術(shù)，通常以5μm作為分界線，≤5μm 的粉料稱為超微粉，>5μm的粉料叫做微粉。超微粉和微粉品種較多，其中最常用的是硅灰和α-Al₂O₃微粉。
　　
    硅灰又稱活性SiO₂、微SiO₂，是生產(chǎn)金屬硅或鐵合金的副產(chǎn)品，呈中空球狀，有活性。摻加硅灰的澆注料凝結(jié)后，SiO₂表面形成的硅醇基（—Si—OH），經(jīng)干燥脫水架橋，形成了硅氧烷[—Si—O—Si—]網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而發(fā)生了硬化。在硅氧烷網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，硅與氧之間的鍵，隨著溫度的升高而不斷裂，因此強(qiáng)度也逐漸提高。在高溫下硅灰還與α-Al₂O₃反應(yīng)，逐步形成莫來石化，產(chǎn)生體積效應(yīng)，抵消耐火澆注料的部分體積收縮，這有利于強(qiáng)度的提高。
　　
    α-Al₂O₃微粉系用工業(yè)氧化鋁煅燒后制成的。其特點(diǎn)是分散性好，顆粒小，高溫下易于燒結(jié)且體積效應(yīng)小。

    2.2　超微粉作用機(jī)理
　　
    超微粉作用機(jī)理非常復(fù)雜，但基本機(jī)理是填充和潤滑。超微粉填充骨料與粉料間的空隙，使水用量降低；成型體排除水分后，留下的孔洞也較少，這樣就可以提高體積密度和降低顯氣孔率，從而改善材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，優(yōu)化材料性能。另外，超微粉粒子表面能吸附分散劑而形成水膜層，提高了潤滑作用，加大了流動性，也可以優(yōu)化材料性能。

    3. 試驗(yàn)

    3.1 原料

表1. 主要原料理化指標(biāo)

	Al₂O₃	SiO₂	Fe₂O₃	Na₂O	CaO	燒失
特級礬土	87.57	—	1.32	0.069	—	—
硅灰	1.48	91.54	—	—	—	2.46
α-Al₂O₃微粉	99.78	0.06	0.04	—	—	0.04
純鋁酸鈣水泥	71.0	—	—	—	18.0	—

3.2　基本配方

表2.基本配方

	a	b	c
特級礬土	75	75	72
粉料A+B	19	19	19
純鋁酸鈣水泥	2	2	2
硅灰	4	0	5
α-Al₂O₃微粉	0	4	2
分散劑	0.2	0.2	0.2

    3.3　制樣及樣塊熱處理方式

    a． 40×40×160mm 　用于測量強(qiáng)度及線變化
　　
    該試塊振動成型后，在室溫下自然養(yǎng)護(hù)24h后脫模，測定110℃×24h，1100℃×3h，1400℃×3h熱處理后試樣的體積密度、線變化率、抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度。

    b． 70×70×70mm坩堝其上預(yù)留φ30×30mm圓孔，用于做抗渣試驗(yàn)

    該試塊振動成型后，在室溫下自然養(yǎng)護(hù)24h后脫模，經(jīng)110℃×24h烘干處理后，于每個(gè)試塊的預(yù)留圓孔中放入25g渣樣（粒度≤3mm），進(jìn)行1500℃×3h熱處理，待試樣自然冷卻后，將試塊沿圓孔中心線縱向剖開，測量侵蝕深度，以評價(jià)抗渣性的優(yōu)劣。

    3.4　試驗(yàn)方法

    （1）依照上述基本配方a，保持硅灰4%不變，逐量摻加α-Al₂O₃微粉：0、2、4、6、8???，同時(shí)降低特級礬土粉用量，以保持粉料總量不變；
    （2）依照上述基本配方b，保持α-Al₂O₃微粉4%不變，逐量摻加硅灰：0、2、4、6、8???，同時(shí)降低特級礬土粉用量，以保持粉料總量不變；
    （3）依照上述基本配方c，α-Al₂O₃微粉總量保持2%不變，詳見P7表3.配方，作了6組試驗(yàn)；
    （4）依照基本配方a及b ，分別成型抗渣試塊。

    4.　測試結(jié)果及討論

    4.1　微粉摻量對加水量及成型性能的影響

    （1） α-Al₂O₃微粉保持一定量不變，隨硅灰摻量增加，用水量呈下降趨勢

圖1.硅灰摻量對加水量的影響

（2）硅灰保持一定量不變，隨α-Al₂O₃微粉摻量增加，用水量變化不大，即α-Al₂O₃微粉對材料的成型性能影響不大

    圖2. α-Al₂O₃微粉對加水量的影響

    （3）當(dāng)僅用硅灰4%，不摻加α-Al₂O₃微粉，加水量6%；當(dāng)僅用 α-Al₂O₃微粉4%，不摻加硅灰，加水量9%；可見，硅灰的填充效果及減水性均好于α-Al₂O₃微粉。

    （4）超微粉的填充效果不僅取決于它的細(xì)度，還與微粉的形狀及活性有關(guān)。硅灰呈中空球狀有活性，其作用優(yōu)于α-Al₂O₃微粉。

    （5）超微粉用量有個(gè)最佳值超微粉用量過少時(shí)，骨粉料間的空隙未填充滿，水用量過大，體積密度小，顯氣孔率高；當(dāng)超微粉用量過高時(shí)，填充空隙有余，剩余的超微粉需用水，且不密實(shí)，顯氣孔率也無變化；超微粉用量適宜時(shí)，摻加的超微粉將全部填充到澆注料的孔隙中而無不足或剩余，致使包覆的游離水釋放出來，潤濕顆粒的表面，使之具有良好的觸變性。在澆注料振動成型時(shí)，由于內(nèi)粘滯阻力和屈服應(yīng)力的值較小，球型超微粉的運(yùn)動摩擦力也小，因此澆注料具有良好的流動性。

    （6）硅灰的減水性能等雖然優(yōu)于α-Al₂O₃微粉，但由上可知，兩種微粉配合使用效果更好。在本試驗(yàn)中硅灰加入量6%，α-Al₂O₃微粉加入量2%，為最佳。

    4.2 超微粉用量對強(qiáng)度的影響

   （1）硅灰用量對強(qiáng)度的影響

    α-Al₂O₃微粉摻量保持不變，隨硅灰用量增加，烘干耐壓強(qiáng)度顯著提高。

    圖3.硅灰用量對烘干耐壓強(qiáng)度的影響

    （2）α-Al₂O₃微粉用量對強(qiáng)度的影響

    硅灰摻量保持不變，隨α-Al₂O₃微粉用量增加，烘干耐壓強(qiáng)度呈下降趨勢（見圖4.）

    （3）當(dāng)不加硅灰，只加α-Al₂O₃微粉4%，烘干耐壓強(qiáng)度為9.8Mpa；當(dāng)不加α-Al₂O₃微粉，只加硅灰4%，烘干耐壓強(qiáng)度為27.4Mpa；可見，單獨(dú)使用硅灰的效果優(yōu)于單獨(dú)使用α-Al₂O₃微粉的效果。

    （4）兩種微粉配合使用時(shí)，其用量有一個(gè)最佳值。應(yīng)根據(jù)耐火骨料、粉料、水泥的品種、品級和用量，合理選擇超微粉的品種及確定適當(dāng)用量。同時(shí)，應(yīng)注意選取相應(yīng)的外加劑。

圖4. α-Al₂O₃微粉用量對烘干耐壓強(qiáng)度的影響

    4.3 α-Al₂O₃微粉細(xì)度對材料性能的影響

    （1）烘后強(qiáng)度以第②組最高，第⑤組次之；燒后強(qiáng)度以第⑤組最高，第②組次之。

    （2）第⑤組，即不同細(xì)度的α-Al₂O₃微粉復(fù)合使用，強(qiáng)度較高；如果只用一種α-Al₂O₃微粉，可參照第②組采用細(xì)度為5μm的中細(xì)度粉。

                                     表3. α-Al₂O₃微粉細(xì)度對材料性能的影響

編號		①	②	③	④	⑤	⑥
基本配方		c	c	c	c	c	c
α-Al₂O₃微粉（%）	細(xì)	2	0	0	1	1	0
	中	0	2	0	1	0	1
	粗	0	0	2	0	1	1
耐壓強(qiáng)度（Mpa）	110℃×24h	51.6	57.2	48.4	52.4	57.6	50.2
耐壓強(qiáng)度（Mpa）	1400℃×3h	29.6	27.6	28	20.8	34.8	20.0
抗折強(qiáng)度（Mpa）	110℃×24h	8.19	9.47	4.68	4.09	6.66	4.68
抗折強(qiáng)度（Mpa）	1400℃×3h	1.63	5.15	2.22	3.98	5.85	1.76

    注：細(xì)——細(xì)度為2μm的α-Al₂O₃微粉
         中——細(xì)度為5μm的α-Al₂O₃微粉
          粗——細(xì)度為800目的α-Al₂O₃微粉

    4.4 超微粉對材料抗渣性能的影響

    （1）如果材料致密度較高，顯氣孔率較低，熔渣便不易滲入到耐火材料內(nèi)部，其抗渣性能相應(yīng)也會優(yōu)良一些。我們知道，在配制低水泥系列澆注料時(shí)，只要超微粉使用得當(dāng)，便可配制出相對致密的澆注料，可以提高其抗渣侵蝕性。因此，由基礎(chǔ)配方a及b，做了若干組試驗(yàn)，以觀察其對抗渣性的影響。

    （2）由試驗(yàn)可知，如果超微粉用量過高，會增加材料中游離石英的含量，致使其渣滲透深度顯著增大，即導(dǎo)致了材料抗渣性的下降。

    （3）如果超微粉用量適宜（在本試驗(yàn)條件下，6~10%左右），材料抗渣性最好。

    5. 結(jié)論

    （1）兩種微粉配合使用，材料性能較好；
    （2）單獨(dú)使用一種微粉時(shí)，硅灰效果優(yōu)于α-Al₂O₃微粉；
    （3）當(dāng)α-Al₂O₃微粉用量一定時(shí)，增大硅灰，水用量顯著降低。
    （4）本試驗(yàn)條件下，超微粉適宜用量：硅灰 6%，α-Al₂O₃微粉 2%，此時(shí)加水量、成型性能、強(qiáng)度和抗渣性能最優(yōu)。

參考文獻(xiàn)
韓行祿.《不定型耐火材料》.北京：冶金工業(yè)出版社，1994

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