高強(qiáng)礬土質(zhì)澆注料的影響因素分析*

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少，導(dǎo)致早期強(qiáng)度低，硬化時(shí)間過長(zhǎng)，降低工作效率;礬土水泥加入量過多，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，主要是通過調(diào)整顆粒表面電位來促進(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)減水劑過剩現(xiàn)象，過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)過剩，過剩的水泥細(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)合過渡的過程中脫水分解產(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℃煅燒過程中，該澆注料體系中的Al2O3和SiO2反應(yīng)生成莫來石相，莫來石的生成強(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;水泥加入量過多或過少，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。

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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