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耐火浇注料加入硅微粉如何增强使用性能

文章出处:未知 人气: 发表时间:2019-08-19 16:50
传统的铝酸盐水泥结合耐火衬料浇注料中,水泥用量—般为12%〜30%,用水量9%〜13%。用水量高,浇注料的气孔多,强度低;水泥用量多,虽可获得足够高的常温强度,但由于铝酸钙的晶型转变而使其中温强度显著降低,同时水泥中的CaO与浇注料配料中的SiO2和Al2O3反应,生成低熔点的钙长石或钙铝黄长石,导致高温强度和抗侵蚀能力的下降。
传统浇注料强度对比为克服传统浇注料的上述弊端,人们利用微粉体技术开发出新一代耐火浇注料——低水泥系列浇注料。包括低水泥浇注料、超低水泥浇注料和无水泥浇注料。微粉体与高效外加剂的配合使用是低水泥系列浇注料的关键技术。在LCC中,使用合理的颗粒级配,微粉体流动性较好,几乎填充主体颗粒间的全部空隙,因而可将水泥用量降低至8%以下。水用量降至5%〜7%,并使浇注料组织结构致密、气孔率低、强度高、耐磨损、抗侵蚀。图1为LCC与传统浇注料强度的比较。
SiO2微粉体特别是硅灰在LCC系列浇注料中的应用最为普遍。硅灰在耐火浇注料中的作用机理主要包括以下几个方面:
1、填充作用
根据Prost和Lafarge的专利,采用粒度精心分级直至亚微粒度的颗粒,耐火浇注料中的水泥含量可减少到大约1%。微粉体的应用基于这样一种假设,即在标准粒度分布的浇注料中,其密度被在施工过程中充有过置水分的颗粒间隙所限制,这些间隙逐渐由更细的颢粒填充,从而将水取代,最后剩余的微孔由水化的水泥胶体填充。正是基于这一原理,才导致了低用水量、高密度浇注料技术的应用。使用硅灰的浇注料经1000℃烧后,浇注料中的气孔率由大约20%〜30%降低至8%〜16%,而传统浇注料在中温阶段所经历的机械强度的下降则转变为稳步上升。图2为板状氧化铝浇注料1000℃×24h烧后体积密度随硅灰加入量的变化,可见硅灰的用里一般为5%〜7%,
2、改善浇注料的流变性能
在粗粒子的悬浮液中加入少量的胶体尺寸的超微粉体会明显减小悬浮液的表观粘度,从而增加浇注料的流动度,降低用水以粒度分布类似的活性氧化铝微粉体与硅灰比较,要获得100%的流动度时(ASTM试锥法,直径增加百分比,15秒振动后),微粉体加入量相同时,含活性氧化铝的浇注料用水量比硅灰的用水量高很多。
3、形成Si-O-Si键结合的网状链结构
形成牢固的Si-O-Si键结合的网状链结构,使浇注料具有良好的常温与中温强度。从SiO2微粉体的水化增重率曲线可见(图4),硅灰的水化增重率远较晶态SiO2微粉体高,红外光谱分析证实,硅灰水化后表面形成了类似于硅胶结构的Si-OH键。在40℃左右,Si-OH键开始脱水聚合成由Si-O-Si键结合牢固的微粉长链:,80℃时这种聚合作用最剧烈并超于完成。这种长链形成网络结构,并一直保持到250℃也无变化。而晶态SiO2微粉体则无这种网络形成。这种网络结构是含硅灰的浇注料和制品具有很高冷态强度的原因。
 SiO2微粉体的水化增重率
不仅如此,含硅灰的浇注料或制品也具有很高的中温烧后强度,其机理仍然是硅灰所形成的Si-O-Si网状链,它能一直保持到1200℃以上。根据浇注料中基质细粉的种类,硅灰的结合机理可以分为三类:
① 含Al2O3的细粉,如各种Al2O3粉、矾土熟料细粉等,这类细粉一般无水化反应,在低温下这些粉体附在硅灰所形成的网状链上,具有较高的低温强度,而在700℃后在链的范围内与硅灰反应形成非化学计量化合物,直到1200℃左右形成较大的莫来石晶体。由于莫来石的针状交错晶体和原网络链的双重作用,使其具有很高的中温(约1000℃)烧后强度。
② 硅灰加入后所接触到的是能形成水化物的细粉,如铝酸钙水泥、硅酸盐水泥、β-Al2O3、镁砂粉等。硅灰加入时,在低温下能改变原来的水化物并与它们形成新的水化物,这些水化物也形成网状链,并且除了铝酸钙水泥外,β-Al2O3和镁砂粉与硅灰形成的新水化物链都能将其形态保持到1200℃以上,从而保证了它们具有较高的中温烧后强度;铝酸钙水泥与硅灰形成的新水化物链可保恃其基本形态到1100℃,其后则周围形成环状晶体,使耐压强度比其它几种略低。
③ 硅灰加入后接触到的是既无水化反应又不与SiO2其它化学反应的粉体,如SiC,ZrSiO4细粉等。从低温开始直到1200℃以上,这些粉体都附着在硅灰的网状链上,这种网状链在中温范围内不变的形态保证了其相当高的中温烧后强度。
4、矿物相的变化
一定百分比的硅灰与水泥反应,除生成通常在水泥水化中所见的CAH相和AH相外,还生成CASH相。CASH相具有沸石的性质,在加热过程中转化为CAS2并有可能转化为方石英或石英。这些水化产物的量与硅灰的纯度有关。此外,硅灰的加入可使浇注料的孔径更细小。
在耐火材料工业中应用的主要微粉体有SiO2粉、α-Al2O3粉、镁铝尖晶石粉、莫来石粉、锆英石粉、氧化锆粉、SiC粉、金属Si粉和金属Al粉等。由于硅灰(SiO2粉的一种)的特殊形态,而且是工业
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