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          增加ρ-Al₂O₃結合剛玉質澆注料的抗爆裂性能可加入這個原料
          • 作者:江宣    來源:江蘇江能新材料科技有限公司    時間:2021-6-10    點擊:939

            隨著耐火材料的發展,不定形耐火澆注料所占的比例越來越大。從傳統的水泥結合澆注料開始,陸續開發出低水泥澆注料、超低水泥澆注料和無水泥澆注料。這主要是因為超細粉與微粉的引入降低了水泥的用量。這一類澆注料相比于傳統的水泥結合澆注料具有更高的致密度、耐火度和更優良的抗渣性。但同時它也帶來了一些弱點,如烘烤時易發生爆裂,影響其使用。

           

            針對其抗爆裂性差的原因,國內外學者研究認為,主要有以下兩個原因:一是超細粉引入后,填充許多細小空隙,使澆注料透氣度降低;二是加入超細粉后并不形成傳統水泥澆注料中所形成的CAH10、C2AH8和C3AH6等水化物,而是形成類似沸石型的鈣鋁硅水化物,而這類水化物在300℃以前脫水比傳統水化物緩慢得多,這就使得其在300℃前很少因水化物分解而形成排氣通道。

           

            ρ-Al₂O₃結合澆注料是一種高性能無水泥澆注料,與含水泥結合的澆注料相比,ρ-Al₂O₃結合因其純度高、含Ca量極低,在高溫使用過程中,不會生成鈣長石或鈣鋁黃長石等低熔點液相,具有更優異的高溫使用性能。但有研究表明,與低水泥結合澆注料、超低水泥結合澆注料和溶膠結合澆注料相比,ρ-Al₂O₃結合澆注料的抗爆裂性更差。但目前對于ρ-Al₂O₃結合澆注料的抗爆裂性能方面的報道較少,本工作中以電熔白剛玉為主要原料,ρ-Al₂O₃為結合劑,通過改變SiO₂微粉的加入量研究其對抗爆裂性能等的影響。

           

          試驗

          1.1 原料

            試驗用主要原料為:電熔白剛玉顆粒,粒度5~3、3~1和≤1mm,w(Al₂O₃)≥99.4%;電熔白剛玉細粉,粒度≤0.074mm,w(Al₂O₃)≥99.4%;活性α-Al₂O₃微粉,d50=1.198μm,w(Al₂O₃)≥99.38%;SiO₂微粉,d50=0.268μm,w(SiO₂)≥96.77%;結合劑為ρ-Al₂O₃,d50=2.4μm,w(Al₂O₃)≥99.6%;減水劑為六偏磷酸鈉。

           

          1.2 試樣制備

            配制編號分別為S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6的7種試樣。將配好的料先于料袋中用手預混,再倒入攪拌鍋中干混90s;然后加水濕混150s,振動澆注成40mm×40mm×160mm、50mm×50mm×50mm和50mm×50mm的樣坯,室溫養護24h后脫模;再于110℃干燥24h后,在空氣氣氛中1400℃保溫3h熱處理。

           

          1.3 性能檢測

            按GB/T5988—2004檢測試樣的線變化率,按GB/T2997—2000檢測試樣的顯氣孔率和體積密度。按GB/T3001—2007檢測試樣的常溫抗折強度,按GB/T5072—2008檢測試樣的常溫耐壓強度。按GB/T3000—1999檢測試樣的透氣度值,使用壓汞儀檢測試樣的孔徑分布。按照GB/T36134—2018進行試樣的抗爆裂試驗:振動澆注成50mm×50mm×50mm尺寸的樣坯,于室溫下帶模養護12h后,立即脫模放入抗爆裂實驗爐中,未放入爐內的試樣于密封袋中密封。記錄試樣爆裂時的爐溫以及發生爆裂時的時間,并將試樣爆裂后的樣塊拍照。采用X射線衍射儀(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)分別對試樣物相組成和顯微結構進行分析。

           

          結果與討論

          2.1 物相組成與顯微結構

            圖1為試樣S0、S5和S6在1400℃保溫3h后的XRD圖譜。從圖中可以看出,試樣S0燒后的物相主要為剛玉,試樣S5、S6燒后的物相除剛玉外,還含有少量莫來石相,且試樣S6的莫來石衍射峰比試樣S5的略強。這說明,在1400℃下,SiO₂微粉和活性α-Al₂O₃微粉可能發生反應,生成了莫來石晶體;且隨著SiO₂微粉含量的增加,生成的莫來石含量也有所增加。

           

           

            圖2示出了試樣S0、S3和S6經1400℃保溫3h后的顯微結構照片。可以看出:試樣S0各骨料之間相互獨立,而試樣S3骨料之間通過SiO₂微粉產生的液相相互結合在一起;隨著SiO₂微粉含量的增加,試樣S6中產生的液相明顯增多,骨料之間的結合更為緊密。這說明,在無SiO₂微粉的情況下,試樣S0沒有發生液相燒結,骨料與基質之間沒有結合,強度非常低;而試樣S3和S6發生了液相燒結,各骨料與基質之間有機地結合在一起,且在氧化鋁微粉表面可能生成了針狀莫來石,使得強度提高。


           

           

          2.2 常規性能

            圖3示出了室溫養護24h脫模后、110℃干燥24h后以及1400℃熱處理3h后試樣的常溫抗折強度和耐壓強度。從圖中可以看出:隨著SiO₂微粉含量的增加,室溫養護24h脫模后的試樣的常溫抗折強度和耐壓強度逐漸增高;經110℃干燥24h后的試樣隨SiO₂微粉含量的增加,其常溫抗折強度和耐壓強度先增加后趨于平緩;在1400℃熱處理3h后,SiO₂微粉含量為0時的試樣強度最低,低于其烘后強度,其他試樣的常溫抗折強度隨著SiO₂微粉含量的增加略微增加。


           

           

            SiO₂微粉的比表面積大,表面存在許多的不飽和鍵,遇水后形成大量帶有Si—OH的膠態結構,這使得脫模后的強度隨SiO₂微粉含量的增加而逐漸增加;在經110℃干燥時,SiO₂微粉顆粒表面的Si-OH鍵脫水聚合成Si-O-Si這種結合牢固的三維網狀結構,使得烘后試樣的強度逐漸升高;在SiO2微粉含量(w)超過3%后,這種Si-O-Si三維網狀結構可能已基本完成,再繼續增加Si-O-Si鍵的含量對其強度的影響就不大了。在1400℃下,SiO₂微粉因其活性很高,產生液相并促進燒結,使得燒后試樣具有很高的強度。隨著燒結程度的增加,其強度也在緩慢的增加。而SiO₂微粉含量為0的試樣在1400℃下沒有發生液相燒結,只是發生了ρ-Al₂O₃水化產物結合水的脫除,導致其1400℃燒后的強度低于110℃烘后的。

            圖4為不同SiO₂微粉試樣的體積密度、顯氣孔率及燒后線膨脹率。

           

           

            從圖4可以看出:1)隨著SiO₂微粉含量的增加,試樣脫模、干燥和燒后的體積密度先增加后降低,在SiO₂微粉含量(w)為3%時取得最大值;2)脫模、干燥和燒后試樣的顯氣孔率隨SiO₂微粉含量的增加基本逐漸降低,且燒后試樣的顯氣孔率大于干燥后的,脫模后的顯氣孔率最低;3)試樣的燒后線膨脹率隨SiO2微粉的增加逐漸增大。SiO₂微粉因其粒徑小且是球形,所以極易填充澆注料內的微小空隙,從而使其致密程度增加,并降低其氣孔率。當SiO₂微粉含量(w)超過3%后,由于SiO₂微粉的堆積密度比剛玉的小,所以體積密度略有下降。隨著SiO₂微粉含量的不斷增加,燒結程度不斷加深,產生的液相量也在不斷地填充微小空隙,使得收縮不斷加劇,顯氣孔率不斷下降。

           

          2.3 孔徑分布和透氣度

            圖5示出了不同SiO₂微粉含量試樣1400℃燒后的孔徑分布和孔徑累積百分含量。

           

           

            從圖5可以看出:1)在SiO₂微粉含量為0時,孔徑分布圖形較為尖窄,為單峰形狀,平均孔徑為2.9μm,孔徑分布范圍主要集中在1~9μm;隨著SiO₂微粉含量的不斷增加,峰值不斷減少,圖形向右偏,且逐漸呈雙峰分布。2)當SiO₂微粉含量(w)為6%時,其平均孔徑為5.5μm,孔徑分布范圍主要集中在2~5、6~40μm;且從孔徑累積百分含量圖中也可以看出,隨著SiO₂微粉含量的增加,其圖形向右偏移。這說明隨著SiO₂微粉含量的增加,試樣整體的孔徑增大。

           

            從圖2的顯微結構照片中可以看出,在1400℃下,SiO₂微粉產生的液相填充了基質中的許多微小氣孔,并消除了一些閉口氣孔,使得試樣中小孔徑的孔減少;產生的液相在降溫過程中不斷收縮固化,使得許多氣孔相互連通形成大孔徑的孔,且由于熱膨脹系數的不同,使得基質與骨料之間產生許多微裂紋,這些微裂紋也連通許多微小孔和閉口氣孔,使得孔徑變大。因此,隨著SiO₂微粉含量的增加,液相量也不斷增加,上述過程不斷加劇,使得試樣整體孔徑不斷增大。

           

           

           

            不同SiO₂微粉含量下,試樣脫模、干燥和燒后的透氣度。從表中可以看出:1)脫模和干燥后的透氣度隨SiO₂微粉含量的增加而減小,在SiO₂微粉含量達到3%(w)以后,其值趨于平穩。經1400℃熱處理后,試樣的透氣度隨SiO₂微粉含量的增加而逐漸增加;2)脫模和烘后試樣的透氣度值比較接近,而燒后試樣的透氣度是脫模和烘后的幾百倍。這是因為SiO₂微粉具有填充空隙作用,試樣S0沒有加入SiO₂微粉,內部空隙較多,氣孔率較高,因此連通氣孔較多,透氣性較高;加入SiO₂微粉之后,SiO₂微粉不斷填充空隙,使得大氣孔變成小氣孔,也可能會封閉一些連通氣孔并形成更多的閉口氣孔,使得透氣性降低。而試樣經1400℃熱處理后,隨著SiO₂微粉含量的增加,內部產生的微裂紋數也在不斷增加,這種微裂紋連通許多其他的開口氣孔,形成類似樹枝狀分布的江河流通圖,為氣體的流通和擴散提供了方便快捷的通道。

           

          2.4 抗爆裂性能

            不同SiO2微粉含量試樣在各溫度段的抗爆裂試驗結果。從表中可以看出:試樣S0在爐溫為500℃時未發生爆裂,在550℃爐溫下發生爆裂,爆裂時間為250s,因此其抗爆裂溫度為500℃;試樣S1的抗爆裂溫度為550℃,在600℃爐溫下的爆裂時間為246s;試樣S2的抗爆裂溫度為500℃,在550℃爐溫下的爆裂時間為325s;試樣S3、S4、S5和S6的抗爆裂溫度均為450℃,在爐溫為500℃下的爆裂時間分別為468、460、373和375s。


           

            圖6為試樣在各溫度下爆裂后殘余的大塊碎樣圖。從圖中可以看出,試樣均為粉碎性爆裂,無產生大裂紋型的爆裂,這也是ρ-Al₂O₃結合的爆裂特性。同時也可以看出,試樣S3、S4、S5和S6在500℃爐溫下爆裂后的殘余大塊碎樣量在逐漸減少,這也可以說明爆裂程度增加,抗爆裂性能降低。

           

            抗爆裂性主要與材料內部氣體逸散的快慢程度有關,也與材料內部的結合強度有關。試樣S0在脫模后雖然具有較高的氣體逸散能力,但其結合強度很低,在溫度為300~500℃時,ρ-Al₂O₃的水化產物脫除結合水,使其結合強度進一步降低,而這時的內部蒸汽壓增大,在這兩方面的作用下,使得其抗爆裂性并不是很好。而在加入SiO₂微粉的情況下,其脫模時的結合強度得到很大的提高,且隨著自由水和吸附水的脫除,形成Si—O—Si三維網狀結構,使得結合強度進一步提高,且這種結構在1200℃以前不會遭到破壞。因此,ρ-Al₂O₃的水化產物脫水不會對其強度造成很大影響,使得其抗爆裂性有所增加。但隨著SiO₂微粉含量越來越高,其結合強度不再顯著增加,而其內部氣體逸散能力快速下降,使得其抗爆裂性不斷減弱。


          結論

            (1)隨著SiO₂微粉含量的增加,試樣的常溫力學性能得到很大提高,體積密度先增加后略有下降,顯氣孔率則逐漸降低,線膨脹率逐漸增加。


            (2)隨著SiO₂微粉含量的增加,試樣經1400℃熱處理后的整體孔徑在逐漸增大,脫模后和110℃烘后的透氣度先減少后趨于平穩,1400℃熱處理后的透氣度則逐漸增大。


            (3)隨著SiO₂微粉含量的增加,試樣的抗爆裂性能先增加后降低,在SiO₂微粉含量(w)為1%時,抗爆裂溫度最高,為550℃。綜合考慮試樣的力學性能和抗爆裂性能,SiO₂微粉的適宜添加量為1%~2%(w)。


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