硅灰對耐火澆注料性能的影響

摘要:本文主要論述了硅灰的性能及作用機(jī)理，討論了硅灰和α-Al2O3微粉對耐火澆注料加水量、成型性能、強(qiáng)度和抗渣性能的影響。結(jié)果表明：（1）兩種微粉配合使用，材料性能較好；（2）單獨使用一種微粉時，硅灰效果優(yōu)于α-Al2O3微粉；（3）當(dāng)α-Al2O3微粉用量一定時，增大硅灰，水用量顯著降低；（4）本試驗條件下，超微粉適宜用量：硅灰 6%，α-Al2O3微粉 2%，此時加水量、成型性能、強(qiáng)度和抗渣性能最優(yōu)。
1. 前言
　　在研制開發(fā)新產(chǎn)品的過程當(dāng)中，作者遇到了超微粉的使用問題。
　　超微粉對耐火材料性能的影響非常大，是配制低水泥系列澆注料的技術(shù)關(guān)鍵。超微粉的品種選擇是否得當(dāng)，其用量是否適宜，直接關(guān)系到耐火澆注料的使用效果。為此本文詳細(xì)論述了超微粉的作用機(jī)理及其對耐火澆注料性能的影響，最終為新產(chǎn)品開發(fā)選取了超微粉的最佳用量。
　　眾所周知，傳統(tǒng)水泥耐火澆注料，由于水泥用量較高，能夠獲 得足夠的常溫強(qiáng)度。但是，中溫時水泥的晶型轉(zhuǎn)變會使強(qiáng)度顯著降低；且水泥會帶入3~10%的CaO，與料中的SiO2和α-Al2O3反應(yīng)，生成低熔點的鈣長石（CAS2）或鈣鋁黃長石（C2AS），從而導(dǎo)致了材料高溫強(qiáng)度和抗侵蝕性的降低。而超微粉和高效外加劑的引入，則可以大大改善這種狀況。能夠配制出性能優(yōu)良的低水泥、超低水泥和無水泥澆注料。該類材料觸變性較好，中溫強(qiáng)度不下降，性能優(yōu)良，已廣泛應(yīng)用于冶金、建材、石化、電力等各個領(lǐng)域，獲得了良好的使用效果。
2．超微粉的性能及作用機(jī)理
2.1超微粉的性能 
　　超微粉技術(shù)是低水泥系列耐火澆注料的關(guān)鍵技術(shù)，通常以5μm作為分界線，≤5μm 的粉料稱為超微粉，>5μm的粉料叫做微粉。 超微粉和微粉品種較多，其中最常用的是硅灰和α-Al2O3微粉。
　　硅灰又稱活性SiO2、微SiO2，是生產(chǎn)金屬硅或鐵合金的副產(chǎn)品，呈中空球狀，有活性。摻加硅灰的澆注料凝結(jié)后，SiO2表面形成的硅醇基（—Si—OH），經(jīng)干燥脫水架橋，形成了硅氧烷[—Si—O—Si—]網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而發(fā)生了硬化。在硅氧烷網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，硅與氧之間的鍵，隨著溫度的升高而不斷裂，因此強(qiáng)度也逐漸提高。在高溫下硅灰還與α-Al2O3反應(yīng)，逐步形成莫來石化，產(chǎn)生體積效應(yīng)，抵消耐火澆注料的部分體積收縮，這有利于強(qiáng)度的提高。
　　α-Al2O3微粉系用工業(yè)氧化鋁煅燒后制成的。其特點是分散性好，顆粒小，高溫下易于燒結(jié)且體積效應(yīng)小。
2.2　超微粉作用機(jī)理
　　超微粉作用機(jī)理非常復(fù)雜，但基本機(jī)理是填充和潤滑。超微粉填充骨料與粉料間的空隙，使水用量降低；成型體排除水分后，留下的孔洞也較少，這樣就可以提高體積密度和降低顯氣孔率，從而改善材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，優(yōu)化材料性能。另外，超微粉粒子表面能吸附分散劑而形成水膜層，提高了潤滑作用，加大了流動性，也可以優(yōu)化材料性能。
3. 試驗
3.1 原料 
表1. 主要原料理化指標(biāo)
                 Al2O3 SiO2 Fe2O3 Na2O CaO 燒失
特 級 礬 土 87.57 — 1.32 0.069 — —
硅  灰           1.48 91.54 — — — 2.46
α-Al2O3微粉 99.78 0.06 0.04 — — 0.04
純鋁酸鈣水泥 71.0 — — — 18.0 —
3.2　基本配方
表2.基本配方 
   a b c
特級礬土 75 75 72
粉 料A+B 19 19 19
純鋁酸鈣水泥 2 2 2
硅   灰 4 0 5
α-Al2O3微粉 0 4 2
分 散 劑 0.2 0.2 0.2

3.3　制樣及樣塊熱處理方式
a． 40×40×160mm 　用于測量強(qiáng)度及線變化
　　該試塊振動成型后，在室溫下自然養(yǎng)護(hù)24h后脫模，測定110℃×24h，1100℃×3h，1400℃×3h熱處理后試樣的體積密度、線變化率、抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度。
b． 70×70×70mm坩堝 其上預(yù)留φ30×30mm圓孔，用于做抗渣
試驗
該試塊振動成型后，在室溫下自然養(yǎng)護(hù)24h后脫模，經(jīng)110℃×24h烘干處理后，于每個試塊的預(yù)留圓孔中放入25g渣樣（粒度≤3mm），進(jìn)行1500℃×3h熱處理，待試樣自然冷卻后，將試塊沿圓孔中心線縱向剖開，測量侵蝕深度，以評價抗渣性的優(yōu)劣。
3.4　試驗方法
（1） 依照上述基本配方a，保持硅灰4%不變，逐量摻加α-Al2O3微粉：0、2、4、6、8???，同時降低特級礬土粉用量，以保持粉料總量不變；
（2） 依照上述基本配方b，保持α-Al2O3微粉4%不變，逐量摻加硅灰：0、2、4、6、8???，同時降低特級礬土粉用量，以保持粉料總量不變；
（3） 依照上述基本配方c，α-Al2O3微粉總量保持2%不變，詳見P7表3.配方，作了6組試驗；
（4） 依照基本配方a及b ，分別成型抗渣試塊。
4.　測試結(jié)果及討論
4.1　微粉摻量對加水量及成型性能的影響
（1） α-Al2O3微粉保持一定量不變，隨硅灰摻量增加，用水量呈下降趨勢
（2） 硅灰保持一定量不變，隨α-Al2O3微粉摻量增加，用水量變化不大，即α-Al2O3微粉對材料的成型性能影響不大
 （3） 當(dāng)僅用硅灰4%，不摻加α-Al2O3微粉，加水量6%；當(dāng)僅用 α-Al2O3微粉4%，不摻加硅灰，加水量9%；可見，硅灰的填充效果及減水性均好于α-Al2O3微粉。
（4） 超微粉的填充效果不僅取決于它的細(xì)度，還與微粉的形狀及活性有關(guān)。硅灰呈中空球狀有活性，其作用優(yōu)于α-Al2O3微粉。
（5）超微粉用量有個最佳值 超微粉用量過少時，骨粉料間的空隙未填充滿，水用量過大，體積密度小，顯氣孔率高；當(dāng)超微粉用量過高時，填充空隙有余，剩余的超微粉需用水，且不密實，顯氣孔率也無變化；超微粉用量適宜時，摻加的超微粉將全部填充到澆注料的孔隙中而無不足或剩余，致使包覆的游離水釋放出來，潤濕顆粒的表面，使之具有良好的觸變性。在澆注料振動成型時，由于內(nèi)粘滯阻力和屈服應(yīng)力的值較小，球型超微粉的運(yùn)動摩擦力也小，因此澆注料具有良好的流動性。
（6）硅灰的減水性能等雖然優(yōu)于α-Al2O3微粉，但由上可知，兩種微粉配合使用效果更好。在本試驗中硅灰加入量6%，α-Al2O3微粉加入量2%，為最佳。
4.2 超微粉用量對強(qiáng)度的影響
（1）硅灰用量對強(qiáng)度的影響
α-Al2O3微粉摻量保持不變，隨硅灰用量增加，烘干耐壓強(qiáng)度顯著提高
 （2）α-Al2O3微粉用量對強(qiáng)度的影響
硅灰摻量保持不變，隨α-Al2O3微粉用量增加，烘干耐壓強(qiáng)度呈下降趨勢

（3）當(dāng)不加硅灰，只加α-Al2O3微粉4%，烘干耐壓強(qiáng)度為9.8Mpa；當(dāng)不加α-Al2O3微粉，只加硅灰4%，烘干耐壓強(qiáng)度為27.4Mpa；可見，單獨使用硅灰的效果優(yōu)于單獨使用α-Al2O3微粉的效果。
（4）兩種微粉配合使用時，其用量有一個最佳值。應(yīng)根據(jù)耐火骨料、粉料、水泥的品種、品級和用量，合理選擇超微粉的品種及確定適當(dāng)用量。同時，應(yīng)注意選取相應(yīng)的外加劑。
 
4.3 α-Al2O3微粉細(xì)度對材料性能的影響
（1） 烘后強(qiáng)度以第②組最高，第⑤組次之；燒后強(qiáng)度以第⑤組最高，第②組次之。
（2） 第⑤組，即不同細(xì)度的α-Al2O3微粉復(fù)合使用，強(qiáng)度較高；如果只用一種α-Al2O3微粉，可參照第②組采用細(xì)度為5μm的中細(xì)度粉。
表3. α-Al2O3微粉細(xì)度對材料性能的影響 
編   號 ①  ②  ③  ④  ⑤  ⑥ 
基本配方 c c c c c c
α-Al2O3微粉 （%） 細(xì) 2 0 0 1 1 0
中 0 2 0 1 0 1
粗 0 0 2 0 1 1
耐壓強(qiáng)度 （Mpa） 110℃×24h 51.6 57.2 48.4 52.4 57.6 50.2
1400℃×3h 29.6 27.6 28 20.8 34.8 20.0
抗折強(qiáng)度 （Mpa） 110℃×24h 8.19 9.47 4.68 4.09 6.66 4.68
1400℃×3h 1.63 5.15 2.22 3.98 5.85 1.76
注：細(xì)——細(xì)度為2μm的α-Al2O3微粉   
中——細(xì)度為5μm的α-Al2O3微粉
粗——細(xì)度為800目的α-Al2O3微粉

4.4 超微粉對材料抗渣性能的影響
（1） 如果材料致密度較高，顯氣孔率較低，熔渣便不易滲入到耐火
材料內(nèi)部，其抗渣性能相應(yīng)也會優(yōu)良一些。我們知道，在配制低水泥系列澆注料時，只要超微粉使用得當(dāng)，便可配制出相對致密的澆注料，可以提高其抗渣侵蝕性。因此，由基礎(chǔ)配方a及b，做了若干組試驗，以觀察其對抗渣性的影響。
（2） 由試驗可知，如果超微粉用量過高，會增加材料中游離石英的
含量，致使其渣滲透深度顯著增大，即導(dǎo)致了材料抗渣性的下降。
（3） 如果超微粉用量適宜（在本試驗條件下，6~10%左右），材料
抗渣性最好。
5. 結(jié)論
（1） 兩種微粉配合使用，材料性能較好；
（2） 單獨使用一種微粉時，硅灰效果優(yōu)于α-Al2O3微粉；
（3） 當(dāng)α-Al2O3微粉用量一定時，增大硅灰，水用量顯著降低。
（4）本試驗條件下，超微粉適宜用量：硅灰 6%，α-Al2O3微粉 2%，此時加水量、成型性能、強(qiáng)度和抗渣性能最優(yōu)。