張 巍 戴文勇

（大連派力固工業(yè)有限公司，遼寧大連116600）

0 前言

傳統(tǒng)耐火澆注料，鋁酸鈣水泥用量為15～20%[1-3]，低水泥澆注料，高性能鋁酸鈣水泥用量?jī)H為2～6%[4-9]，按5%計(jì)，每噸高性能鋁酸鈣水泥配制的澆注料，可替代耐火磚20噸，節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤4噸，減少CO2排放11.74噸。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家的不定形耐火材料數(shù)量占耐火材料總量已超過(guò)70%，但我國(guó)僅達(dá)到40%。為了保護(hù)地球的生態(tài)環(huán)境，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)已是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本國(guó)策，在耐火材料領(lǐng)域，鋁酸鈣水泥和不定形耐火材料對(duì)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)還存在很大的貢獻(xiàn)空間。

本實(shí)驗(yàn)研究的對(duì)象是水泥窯用的一種低水泥澆注料，通過(guò)研究不同熱處理溫度對(duì)低水泥澆注料的體積密度、線變化率、常溫抗折強(qiáng)度、常溫耐壓強(qiáng)度、常溫耐磨性、熱膨脹系數(shù)和抗熱震性等性能的影響，找出這種低水泥澆注料隨熱處理溫度不同的變化規(guī)律，以期拓展?jié)M足不同溫度應(yīng)用環(huán)境下低水泥澆注料的研究。

表1 原料的主要化學(xué)組成（w）Tab.1 Chemical compositions of raw materials(%)

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及方案

本實(shí)驗(yàn)的主要原料為礬土、硅微粉和鋁酸鈣水泥。所用原料的主要化學(xué)組成見(jiàn)表1。

按照表2配方組成進(jìn)行配料，具體是將骨料及粉料加入攪拌罐中，攪拌均勻后再加入水?dāng)嚢?min，然后振動(dòng)澆注成160mm×40mm×40mm的試樣。試樣經(jīng)110℃烘干后分別于300℃、500℃、700℃、900℃、1100℃、1300℃和1500℃保溫3h煅燒，分別測(cè)試經(jīng)過(guò)不同溫度熱處理后試樣的體積密度、線變化率、常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度。制備114mm×114mm ×25mm的試樣，用于測(cè)試材料的耐磨性。制備Φ20mm×100mm的試樣，用于測(cè)試材料的熱膨脹系數(shù)。制備160mm×40mm×40mm的試樣，經(jīng)110℃烘干再經(jīng)1300℃保溫3h煅燒，用于測(cè)試材料的抗熱震性。

表2 配方組成(w)Tab.2 Composition of the castable refractory(%)

圖1 不同溫度熱處理后試樣的體積密度Fig.1 BDs of specimens heat treated at different temperatures

1.2 性能測(cè)試

(1)體積密度試驗(yàn)。采用YB/T5200-1993致密耐火澆注料顯氣孔率和體積密度試驗(yàn)方法，檢測(cè)燒成后試樣的體積密度。用游標(biāo)卡尺測(cè)定試樣的收縮量，并通過(guò)計(jì)算求得它的體積密度。

(2)線變化率試驗(yàn)。采用YB/T5203-1993致密耐火澆注料線變化率試驗(yàn)方法，檢測(cè)燒成后試樣的線變化率。

(3)常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度試驗(yàn)。采用YB/T5201-1993致密耐火澆注料常溫抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，檢測(cè)燒成后試樣的常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度。

(4)常溫耐磨性試驗(yàn)。采用GB/T18301-2001耐火材料常溫耐磨性試驗(yàn)方法檢測(cè)試樣的常溫耐磨性能。

(5)熱膨脹系數(shù)試驗(yàn)。采用GB/T7320.1-2000耐火材料熱膨脹試驗(yàn)方法-頂桿法檢測(cè)試樣的熱膨脹系數(shù)。

圖2 不同溫度熱處理后試樣的線變化率Fig.2 PLCs of specimens heat treated at different temperatures

(6)抗熱震性試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)工藝：將電爐升溫到1100±10℃保溫30min后，然后將試樣迅速放入電爐中，在1100℃保溫15min，使試樣從表面到心部受熱均勻后，將試樣取出，置于室溫循環(huán)水中快冷。試樣在水中冷卻3min后立即取出，在空氣中放置直至室溫，測(cè)量試樣經(jīng)過(guò)三次熱震循環(huán)后的殘余強(qiáng)度并計(jì)算耐壓強(qiáng)度保持率。

用日本產(chǎn)CT-1000型抗折實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的常溫抗折強(qiáng)度。用日本產(chǎn)MS-20-S1型耐壓試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的常溫耐壓強(qiáng)度。用NM-2型耐磨試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的常溫耐磨性。用RPZ-03型高溫?zé)崤蛎泝x測(cè)試試樣的熱膨脹系數(shù)。用RZ-2A型高溫?zé)嵴鸱€(wěn)定性試驗(yàn)爐測(cè)試試樣的抗熱震性。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱處理對(duì)材料體積密度的影響

圖1示出了試樣經(jīng)過(guò)不同溫度熱處理后的體積密度。由圖1可以看出，試樣經(jīng)過(guò)110℃烘干后，再經(jīng)過(guò) 300℃、500℃、700℃、900℃、1100℃、1300℃和1500℃熱處理，試樣的體積密度隨著燒結(jié)溫度的提高呈現(xiàn)先減小后不變?cè)僭龃蟮淖兓?guī)律。這是因?yàn)榈退酀沧⒘辖?jīng)過(guò)110℃烘干后，試樣中還含有殘留的結(jié)晶水，隨著熱處理溫度的提高，結(jié)晶水逐漸被排出，試樣的重量相應(yīng)減小，但試樣的體積變化不大，因此試樣的體積密度下降。在溫度區(qū)間700～1100℃內(nèi)，試樣內(nèi)含有的結(jié)晶水已幾乎被排出，試樣的重量變化不明顯，故體積密度未發(fā)生變化。隨著熱處理溫度的繼續(xù)提高，試樣因發(fā)生燒結(jié)導(dǎo)致體積密度又再次增大。

圖3 不同溫度熱處理后試樣的常溫抗折強(qiáng)度Fig.3 MORs of specimens heat treated at different temperatures

表3 試樣經(jīng)過(guò)不同溫度熱處理后的磨損量(cm3)Tab.3 Abrasion losses of specimens heat treated at different temperatures

2.2 熱處理對(duì)材料線變化率的影響

圖2示出了試樣經(jīng)過(guò)不同溫度熱處理后的線變化率。由圖2可以看出，試樣經(jīng)過(guò)110℃烘干后，再經(jīng)過(guò) 300℃、500℃、700℃、900℃、1100℃、1300℃和1500℃熱處理，線變化率隨著熱處理溫度的提高呈現(xiàn)收縮先增大后減小再增大的變化規(guī)律。這是由于一方面試樣中的結(jié)晶水逐漸被排出，另一方面隨著熱處理溫度的提高，試樣逐漸被燒成，在燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力的作用下顆粒間的距離被拉近，導(dǎo)致試樣逐漸發(fā)生燒結(jié)收縮。試樣經(jīng)過(guò)900～1300℃熱處理后，收縮略有減小。試樣經(jīng)1300～1500℃熱處理后，試樣發(fā)生明顯的收縮，這是由于在高溫下生成低熔點(diǎn)物質(zhì)CaO·TiO2，試樣內(nèi)部由于液相的存在明顯促進(jìn)了燒結(jié)，故試樣產(chǎn)生明顯的燒結(jié)收縮。

2.3 熱處理對(duì)材料常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度的影響

圖4 不同溫度熱處理后試樣的常溫耐壓強(qiáng)度Fig.4 CCSs of specimens heat treated at different temperatures

圖3、圖4分別示出了試樣經(jīng)過(guò)不同溫度熱處理后的常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度。由圖3中可以看出，試樣經(jīng)過(guò)110℃烘干后，再經(jīng)過(guò)300℃、500℃、700℃、900℃、1100℃、1300℃和1500℃熱處理，材料的常溫抗折強(qiáng)度隨著熱處理溫度的提高呈現(xiàn)先增大后減小再增大的變化規(guī)律。由圖4同樣可以看出，材料的常溫耐壓強(qiáng)度隨著熱處理溫度的提高也呈現(xiàn)先增大后減小再增大的變化規(guī)律。經(jīng)過(guò)低溫?zé)崽幚砗?，隨著試樣內(nèi)部結(jié)晶水的排出，試樣的常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度逐漸增大。試樣經(jīng)過(guò)中溫1100℃熱處理后，由于連結(jié)劑鋁酸鈣水泥的失效并且在此溫度下陶瓷相尚未形成，因此試樣的中溫強(qiáng)度急劇下降。在1100～1500℃溫度區(qū)間，試樣內(nèi)部因燒結(jié)而逐漸產(chǎn)生陶瓷相，故試樣的常溫強(qiáng)度增加。

2.4 熱處理對(duì)材料常溫耐磨性能的影響

表3示出了試樣經(jīng)過(guò)1300℃和1500℃熱處理后的磨損量。

由表3可以看出，試樣經(jīng)過(guò)1500℃熱處理后的磨損量小于經(jīng)過(guò)1300℃熱處理后的磨損量。這是由于燒結(jié)溫度的提高促進(jìn)了材料的燒結(jié)，顆粒與基質(zhì)之間形成較密實(shí)的過(guò)渡帶，使其結(jié)構(gòu)較致密，基質(zhì)與骨料結(jié)合的較好，當(dāng)磨損介質(zhì)沖蝕試樣的表面時(shí)，基質(zhì)與骨料被磨損的程度較為均勻，因此磨損量較小。

2.5 熱處理對(duì)材料熱膨脹系數(shù)的影響

圖5 試樣熱膨脹系數(shù)和熱處理溫度的關(guān)系曲線Fig.5 Variation of thermal expansion coefficients of specimens with different heat treatment temperatures

圖5示出了試樣的熱膨脹系數(shù)隨熱處理溫度不同而變化的關(guān)系曲線。由圖5可以看出，在200℃～400℃溫度區(qū)，試樣的熱膨脹系數(shù)隨熱處理溫度的提高而減?。辉?00℃～800℃溫度區(qū)，試樣的熱膨脹系數(shù)隨熱處理溫度的提高而增大；在800℃～1050℃溫度區(qū)，試樣的熱膨脹系數(shù)隨熱處理溫度的提高而減小；在1050℃～1250℃溫度區(qū)，試樣的熱膨脹系數(shù)隨熱處理溫度的提高而增大；在1250℃～1400℃溫度區(qū)，試樣的熱膨脹系數(shù)隨熱處理溫度的提高而減小。試樣的熱膨脹系數(shù)隨熱處理溫度的變化較為復(fù)雜，這同樣是與試樣中含有的結(jié)晶水，以及試樣的燒結(jié)有關(guān)。

2.6 材料的抗熱震性能

圖6示出了試樣經(jīng)過(guò)三次熱震前后的耐壓強(qiáng)度。從圖6中看出，熱震前低水泥澆注料的耐壓強(qiáng)度為115.6Mpa，熱震后低水泥澆注料的耐壓強(qiáng)度為100.9Mpa，低水泥澆注料的強(qiáng)度保持率為87.3%，說(shuō)明這種低水泥澆注料具有相對(duì)較好的抗熱震性能。這主要取決于低水泥澆注料經(jīng)過(guò)1300℃熱處理后，具有相對(duì)較低的體積密度和較大的氣孔率，同時(shí)經(jīng)過(guò)1300℃熱處理后具有較低的熱膨脹系數(shù)，這些都決定了材料會(huì)具有相對(duì)優(yōu)良的抗熱震性能。

3 結(jié)論

(1)水泥窯用低水泥澆注料的體積密度隨著熱處理溫度的提高呈現(xiàn)先減小后不變?cè)僭龃蟮淖兓?guī)律。

(2)水泥窯用低水泥澆注料的線變化率隨著熱處理溫度的提高呈現(xiàn)收縮先增大后減小再增大的變化規(guī)律。

圖6 試樣熱震前后的耐壓強(qiáng)度Fig.6 Cold crushing strengths of specimens before and after thermal shocking

(3)水泥窯用低水泥澆注料的常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度隨著熱處理溫度的提高呈現(xiàn)先增大后減小再增大的變化規(guī)律。

(4)水泥窯用低水泥澆注料經(jīng)過(guò)1500℃熱處理后的磨損量小于經(jīng)過(guò)1300℃熱處理后的磨損量。

(5)水泥窯用低水泥澆注料具有相對(duì)優(yōu)良的抗熱震性能。

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