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        高強(qiáng)礬土質(zhì)澆注料的影響因素分析*

        2012-12-07 05:28:30賈江議劉沙沙趙迪怡白劍偉
        河南冶金 2012年1期
        關(guān)鍵詞:三聚磷酸鈉耐壓減水劑

        賈江議 劉沙沙 趙迪怡 白劍偉

        (1.河南科技大學(xué);2.西安交通大學(xué);3.鄭州華宇耐材有限公司)

        高強(qiáng)礬土質(zhì)澆注料的影響因素分析*

        賈江議1劉沙沙1趙迪怡2白劍偉3

        (1.河南科技大學(xué);2.西安交通大學(xué);3.鄭州華宇耐材有限公司)

        以山西礬土為主要原料,礬土水泥為結(jié)合劑,三聚磷酸鈉為減水劑。在試驗(yàn)確定三聚磷酸鈉加入量為0.18%的條件下,通過(guò)改變水泥加入量,并在110℃ ×24 h、1100℃ ×3 h和1450℃ ×3 h燒成試樣。性能檢測(cè)表明:在水泥加入量為4%的時(shí)候,澆注料的體積密度較高,耐壓強(qiáng)度好,線變化率小,高強(qiáng)礬土質(zhì)澆注料的性能達(dá)到最佳。

        礬土 三聚磷酸鈉 澆注料 礬土水泥

        In this experiment,bauxite is used as main raw material,calcium alumina Cement as bonder,sodium tripolypho sphate as water reducing agent.Under the condition of 0.18%sodium tripolypho sphate and different amounts of cement,the specimens are heated at 110 ℃ ×24 h、1100 ℃ ×3 h and 1450 ℃ ×3 h.The experiment result shows that when the cement addition is 4% ,the bulk density of castble is higher,the crushing strength is best,and the linear changing rate is the lower,properties of bauxite - based castable with high strength are optimum

        0 前言

        高強(qiáng)礬土質(zhì)澆注料是一種不經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而直接澆注使用的散裝耐火材料,在鋼鐵、有色及高溫窯爐中有著廣泛用途。對(duì)高強(qiáng)礬土質(zhì)澆注料,目前普遍采用礬土水泥作結(jié)合劑,產(chǎn)品的性能在很大程度上受結(jié)合劑的影響。結(jié)合劑礬土水泥加入量過(guò)少,導(dǎo)致早期強(qiáng)度低,硬化時(shí)間過(guò)長(zhǎng),降低工作效率;礬土水泥加入量過(guò)多,水泥中的CaO在高溫下可與礬土原料中的A12O3和SiO2反應(yīng)生成鈣長(zhǎng)石(CaO·A12O3·2SiO2)等低熔物[1],降低材料的使用壽命。下面筆者結(jié)合企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn),就減水劑和礬土水泥加入量對(duì)高強(qiáng)礬土質(zhì)澆注料的性能影響所進(jìn)行的研究做一介紹。

        1 試驗(yàn)

        1.1 試驗(yàn)條件

        試驗(yàn)用原料主要為山西的煅燒鋁礬土和礬土水泥,其化學(xué)成份見(jiàn)表1。

        表1 原料化學(xué)成分 %

        1.2 試驗(yàn)方法

        在試驗(yàn)中,骨料為鋁礬土,粒度10~5 mm、5~3 mm、3~0 mm;細(xì)粉為礬土粉和硅微粉,粒度≤0.088 mm;按骨料:細(xì)粉=65:35配比稱料攪拌,加水澆注振動(dòng)成型,自然養(yǎng)護(hù)24 h后脫模,在110℃ ×24 h、1100 ℃ ×3 h、1450 ℃ ×3 h燒成,檢測(cè)性能。

        1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

        首先,測(cè)試減水劑三聚磷酸鈉加入量對(duì)試樣粘度影響,確定試樣澆注振動(dòng)成型時(shí)的最佳流動(dòng)條件,以達(dá)到試樣澆注振動(dòng)成型的緊密堆積;其次,在確定減水劑加入量0.18%的基礎(chǔ)上,調(diào)整礬土水泥加入量:2%,4%,6%,8%,10%,通過(guò)對(duì)試樣體積密度、耐壓強(qiáng)度和線變化率等性能的測(cè)試,分析和討論了礬土水泥對(duì)澆注料性能的影響。

        2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.1 減水劑對(duì)試樣黏度的影響

        試樣中的細(xì)粉料在試驗(yàn)中由于其顆粒小、活性大,容易產(chǎn)生團(tuán)聚和拱橋效應(yīng),導(dǎo)致試樣成型時(shí)加水量增加和黏度增大,對(duì)材料成型性能不利。減水劑由于在水中的溶解與電離表現(xiàn)出靜電吸附作用及溶劑化作用,分散膠體顆粒,其分散穩(wěn)定機(jī)制為靜電穩(wěn)定機(jī)制,主要是通過(guò)調(diào)整顆粒表面電位來(lái)促進(jìn)顆粒在水中的分散性,增加澆注料的流動(dòng)性,在一定濃度范圍內(nèi),減水劑濃度越高分散作用越強(qiáng),澆注料的黏度就越小,流動(dòng)性就越大,從而改善澆注料的成型性能。減水劑三聚磷酸鈉對(duì)試樣黏度的影響如圖1所示。

        圖1 三聚磷酸鈉加入量對(duì)試樣粘度影響

        由圖1可以看出,當(dāng)三聚磷酸鈉加入0.18%時(shí),試樣的黏度最小,澆注料的流動(dòng)性最好。當(dāng)三聚磷酸鈉加入量小于0.18%時(shí),由于減水劑加入量少,其分散作用弱,對(duì)澆注料的流動(dòng)性改善不大。當(dāng)三聚磷酸鈉加入量大于0.18%時(shí),加入量繼續(xù)增多時(shí),當(dāng)減水劑在粒子表面吸附達(dá)到飽和以后,若再增加減水劑用量,就會(huì)出現(xiàn)減水劑過(guò)剩現(xiàn)象,過(guò)量的減水劑的引入會(huì)使一些離子擠進(jìn)顆粒表面的吸附層,根據(jù)壓縮雙電層理論可知[2],這樣會(huì)使雙電層厚度減小,引起顆粒間電位的降低,減弱分散效果。顆粒之間的相互吸引會(huì)引起膠體的絮凝與聚沉,澆注料的內(nèi)粘滯阻力增加,粘度也逐漸增加,流動(dòng)性就降低。

        2.2 水泥加入量對(duì)澆注料體性能的影響

        1)體積密度。水泥的加入主要作用是保證試樣具有足夠的烘干強(qiáng)度,同時(shí)也可充填空隙。隨著水泥加入量的增加,試樣成型時(shí)所需的加水量也會(huì)增加,容易導(dǎo)致試樣高溫?zé)蓵r(shí)脫水量增加,氣孔率增大,影響試樣的緊密堆積和體積密度。110℃ ×24 h烘干時(shí),試樣主要變化就是排出自由水,而試樣中的自由水含量非常低,成型時(shí)加入的水主要以水泥水化產(chǎn)物的形式存在,實(shí)際上由于自由水的揮發(fā)而對(duì)體積密度造成的影響非常小。此時(shí),影響體積密度的主要因素為顆粒級(jí)配的堆積致密度,顆粒級(jí)配的堆積致密度越高,試樣的氣孔就越少,體積密度就越大。因?yàn)樗嗔W拥牧6冉橛谖⒎酆图?xì)粉之間,水泥細(xì)粉的充填空隙作用在澆注料中起到了連續(xù)配料的效果,可降低試樣的氣孔率。當(dāng)水泥加入量小于4%時(shí),隨著水泥加入量的增大,水泥細(xì)粉的充填空隙作用就越強(qiáng),試樣的氣孔率就降低的越多,試樣的體積密度就越大;當(dāng)水泥加入量大于4%時(shí),隨著水泥加入量的逐漸增多,水泥充填空隙后出現(xiàn)過(guò)剩,過(guò)剩的水泥細(xì)粉由于拱橋效應(yīng)[3]而導(dǎo)致材料氣孔率增加,堆積致密度下降,體積密度減小,如圖2所示。

        圖2 水泥加入量對(duì)試樣體積密度影響

        由圖2可以看出,1100℃ ×3 h,試樣的主要變化是水泥水化產(chǎn)物的完全脫水,體積密度的變化主要與水泥水化產(chǎn)物的脫水有關(guān)。隨著水泥加入量的增加,水化物結(jié)合在向陶瓷結(jié)合過(guò)渡的過(guò)程中脫水分解產(chǎn)生的氣孔量也增加,導(dǎo)致氣孔率增加,體積密度減小。由于脫水量多于110℃ ×24 h,其體積密度普遍低于110℃×24 h的處理試樣。同時(shí)由于試樣顆粒級(jí)配的堆積致密度影響,也表現(xiàn)出在水泥加入量4%時(shí)體積密度最大。1450℃ ×3 h,高溫處理后試樣的體積密度隨著水泥用量的增加而增加,其原因在于:在1450℃ ×3 h條件下,試樣已進(jìn)入燒結(jié)階段,隨著水泥加入量的增加,1450℃時(shí)生成的液相也隨之增加,導(dǎo)致試樣收縮程度增大,使材料結(jié)構(gòu)致密程度提高,體積密度增大。

        2)耐壓強(qiáng)度。隨著水泥加入量的增加,試樣烘干后的耐壓強(qiáng)度一般呈增大趨勢(shì)。在高溫?zé)蓵r(shí),由于水泥水化產(chǎn)物的脫水和高溫低熔物的形成,試樣的耐壓強(qiáng)度變化規(guī)律就比較復(fù)雜,如圖3所示。

        圖3 水泥加入量對(duì)試樣耐壓強(qiáng)度的影響

        由圖3可以看出,110℃ ×24 h烘干后試樣強(qiáng)度主要來(lái)之水泥的凝結(jié)硬化。純鋁酸鈣水泥遇水發(fā)生水化反應(yīng),生成水化產(chǎn)物CAH10和C2AH8等,結(jié)晶形成牢固的結(jié)晶體,AI(OH)3凝膠充填于晶體骨架的空隙,形成比較致密的結(jié)構(gòu)[4],使?jié)沧⒘汐@得較高的常溫強(qiáng)度。水泥加入量越多,鋁酸鈣水化產(chǎn)物就多,水化后析出的晶體也增加,交錯(cuò)分布的晶體增大了試樣的強(qiáng)度,水化的鋁酸鈣晶體形成的交織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就越發(fā)育,材料的致密度就越好,這種結(jié)構(gòu)為澆注料提供了高的強(qiáng)度。

        1100℃ ×3 h,水泥澆注料水化后生成的水化物具有沸石族礦物的典型特征,該水化物在很寬的溫度范圍內(nèi)緩慢脫水,脫水后其多孔狀結(jié)構(gòu)沒(méi)有被破壞,因此,其強(qiáng)度不會(huì)降低。一直保持緩慢的脫水速度.使其水化物仍具有一定的膠結(jié)能力,而且隨著溫度的升高,粒子間排列更緊密,從而使高鋁質(zhì)低水泥澆注料的中溫強(qiáng)度略高于110℃ ×24 h烘干后的試樣強(qiáng)度。但隨著水泥加入量的增大,在水化物結(jié)構(gòu)和陶瓷結(jié)構(gòu)更替過(guò)程中試樣脫水量增大,同時(shí)材料尚未達(dá)到燒結(jié)溫度而提高結(jié)構(gòu)致密化程度,從而形成疏松狀結(jié)構(gòu),導(dǎo)致澆注料結(jié)構(gòu)區(qū)域性破壞,造成中溫強(qiáng)度降低,在水泥加入量大于10%,試樣強(qiáng)度反而小于110℃×24 h烘干后的試樣強(qiáng)度。

        在1450℃ ×3 h,試樣耐壓強(qiáng)度比110℃和1100℃有所增大,這是因?yàn)樵?450℃高溫下,材料燒結(jié)作用占主導(dǎo),坯體中生成大量的鈣長(zhǎng)石等低熔物,導(dǎo)致材料燒結(jié)致密度提高,其強(qiáng)度的提高與玻璃相固化后的強(qiáng)度有關(guān)。隨著水泥加入量的增大,產(chǎn)生大量的低共熔液相,液相具有填充材料空隙,提高材料結(jié)構(gòu)致密化程度的作用,試樣耐壓強(qiáng)度也就逐漸增大;相對(duì)于110℃ ×24 h和1100℃ ×3 h,隨著煅燒溫度的升高,澆注料的燒結(jié)程度也隨之提高,系統(tǒng)內(nèi)部物理化學(xué)變化進(jìn)行的也更加充分,試樣耐壓強(qiáng)度也就普遍提高。同時(shí),在1100℃~l500℃煅燒過(guò)程中,該澆注料體系中的Al2O3和SiO2反應(yīng)生成莫來(lái)石相,莫來(lái)石的生成強(qiáng)化了細(xì)粉與顆粒料之間的結(jié)合,對(duì)提高澆注料的耐壓強(qiáng)度也有一定的貢獻(xiàn)。

        3)線變化率。在1100℃ ×3 h燒成時(shí),由于燒成溫度低,試樣的燒結(jié)作用不占主導(dǎo)地位。試樣的主要變化是水泥水化產(chǎn)物脫水而導(dǎo)致收縮。雖然隨著水泥加入量的增大,水泥水化產(chǎn)物的脫水量增大,試樣收縮也應(yīng)增大;但由于水泥水化產(chǎn)物脫水重新生成的CA等高活性礦物增加,其可與材料中加的Al2O3在1200℃左右開(kāi)始發(fā)生反應(yīng)生成CA2,此反應(yīng)具有體積膨脹效應(yīng)[5],隨著水泥加入量的增大,體積膨脹效應(yīng)就越強(qiáng);上述相互消長(zhǎng)的變化導(dǎo)致試

        樣線變化率的變化幅度總體不大,如圖4所示。

        圖4 水泥加入量對(duì)試樣線變化率的影響

        同時(shí)由圖4可以看出,在1450℃ ×3 h,當(dāng)水泥加入量小于6%,試樣的線變化率變化不大,雖然試樣在1450℃ ×3 h已進(jìn)入燒結(jié)階段,液相的產(chǎn)生會(huì)提高材料的致密化程度,表現(xiàn)出收縮現(xiàn)象,但由于高溫處理時(shí)試樣中莫來(lái)石的析出和晶粒長(zhǎng)大,使得膨脹試樣程度增加,從而部分地抵消了燒結(jié)收縮,試樣的線變化率變化不大。當(dāng)水泥加入量大于6%,隨著水泥加入量的增大,CaO含量增多,在1450℃高溫下,試樣中CaO-Al2O3-SiO2生成大量低共熔液相,液相填充氣孔引起體積收縮的效應(yīng)就大,試樣的線變化率就大,材料的高溫體積穩(wěn)定性不好。

        3 結(jié)論

        在高強(qiáng)礬土質(zhì)澆注料中:加入0.18%三聚磷酸鈉,可降低澆注料的黏度,提高其流動(dòng)性,減少成型時(shí)的加水量;水泥加入量過(guò)多或過(guò)少,均不利材料性能的提高。當(dāng)水泥加入量為4%時(shí),試樣耐壓強(qiáng)度高、體積密度較大,燒后線變化小,試樣整體性能好,能滿足使用要求。

        [1]王誠(chéng)訓(xùn).鋼包用耐火材料[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2003:12-14.

        [2]韓行祿.不定形耐火材料(第二版)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2003:65 -66.

        [3]李曉明,陳瑞金.高純鋁鎂澆注料的研究[J].陶瓷工程,2000,34(1):7-9.

        [4]李曉明.微粉與新型耐火材料[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1997:53-59.

        [5]王榕林.剛玉低水泥澆注料的研制[J].河北理工學(xué)院學(xué)報(bào),2003,25(3):85-89.

        ANALYSIS ON INFLUENCING FACTORS OF BAUXITE-BASED CASTABLE WITH HIGH STRENGTH

        Jia Jiangyi1Liu Shasha1Bai Jianwei2(1.Henan University of Science and Technology;2.Xi'an Jiaotong University;3.Zheng zhou Hua Yu Refractory Co,ltd)

        bauxite sodium tripolypho sphate castable calcium alumina cement

        *聯(lián)系人:賈江議,副教授,碩士,河南.洛陽(yáng)(471003),河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院;

        2011—11—30

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