超微粉對(duì)耐火澆注料性能的影響
2005-04-15 00:00
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(duì)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)。
（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(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的過(guò)程當(dāng)中，作者遇到了超微粉的使用問(wèn)題。
超微粉對(duì)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(duì)耐火澆注料性能的影響，最終為新產(chǎn)品開(kāi)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(huì)使強(qiáng)度顯著降低；且水泥會(huì)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(zhǎng)石（CAS2）或鈣鋁黃長(zhǎng)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(wú)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(lái)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(rùn)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(rùn)滑作用，加大了流動(dòng)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(jí) 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(jí)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(cè)量強(qiáng)度及線變化
該試塊振動(dòng)成型后，在室溫下自然養(yǎng)護(hù)24h后脫模，測(cè)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(dòng)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(kāi)，測(cè)量侵蝕深度，以評(píng)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(jí)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(jí)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(jiàn)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(cè)試結(jié)果及討論
4.1 微粉摻量對(duì)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(shì)
圖1.硅灰摻量對(duì)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(duì)材料的成型性能影響不大
（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(duì)材料的成型性能影響不大
圖2. α-Al2O3微粉對(duì)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(jiàn)，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(guò)少時(shí)，骨粉料間的空隙未填充滿，水用量過(guò)大，體積密度小，顯氣孔率高；當(dāng)超微粉用量過(guò)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(wú)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(wú)不足或剩余，致使包覆的游離水釋放出來(lái)，潤(rùn)濕顆粒的表面，使之具有良好的觸變性。在澆注料振動(dòng)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(dòng)摩擦力也小，因此澆注料具有良好的流動(dòng)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(duì)強(qiáng)度的影響
（1）硅灰用量對(duì)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。
（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(jiàn)，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(guò)少時(shí)，骨粉料間的空隙未填充滿，水用量過(guò)大，體積密度小，顯氣孔率高；當(dāng)超微粉用量過(guò)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(wú)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(wú)不足或剩余，致使包覆的游離水釋放出來(lái)，潤(rùn)濕顆粒的表面，使之具有良好的觸變性。在澆注料振動(dòng)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(dòng)摩擦力也小，因此澆注料具有良好的流動(dòng)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(duì)強(qiáng)度的影響
（1）硅灰用量對(duì)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(duì)烘干耐壓強(qiáng)度的影響
（2）α-Al2O3微粉用量對(duì)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(shì)（見(jiàn)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(jiàn)，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(jí)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。
（2）α-Al2O3微粉用量對(duì)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(shì)（見(jiàn)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(jiàn)，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(jí)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(duì)烘干耐壓強(qiáng)度的影響
4.3 α-Al2O3微粉細(xì)度對(duì)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(duì)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(duì)材料性能的影響
|
編 號(hào) |
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 |
|
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 |
|
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(duì)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(huì)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(duì)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(duì)抗渣性的影響。
（2） 由試驗(yàn)可知，如果超微粉用量過(guò)高，會(huì)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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監(jiān)督：0571-85871513
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