铝硅系耐火浇注料是耐火材料中很重要的浇注料系列,它们包括全硅质耐火浇注料(100%SiO2)和硅质耐火浇注料(>95%SiO2)、硅铝耐火浇注料(Al2O3含量为42%~90%的耐火浇注料)、刚玉耐火浇注料(>90%Al2O3)和全铝耐火浇注料(100%Al2O3)。当Al2O3含量大于68%的硅铝耐火浇注料具有更高的耐火度和高温强度值,属于高性能浇注料系列耐火材料。
在铝硅系耐火浇注料中,全硅质耐火浇注料和硅质耐火浇注料仅在硅质窑炉内衬上应用,其使用场合有限,所以常用的为全铝耐火浇注料(100%Al2O3)、刚玉耐火浇注料(>90%Al2O3)和硅铝质耐火浇注料。
科瑞生产的部分铝硅系耐火材料产品图
全铝耐火浇注料是铝硅系中全由端元Al2O3(SiO2含量为0时)成分构成的耐火浇注料(图3-1)。这类耐火浇注料只有采用无水泥配方设计才有可能满足其成分的要求。因此,其主原料和副原料(结合剂和活性填料)均应为Al2O3成分,不存在其他杂质成分,几乎属于纯Al2O3耐火材料(纯氧化物系耐火材料),具有特别高的耐火度和化学稳定性而被广泛地应用。研究结果也表明:全铝耐火浇注料,虽然硬化时间较长,干燥强度较低,但材料的气孔率也较低,因而高温强度大,如果材料在无须快速烘干或者无须进行生坯处理的情况下,全铝耐火浇注料便是较好的选择。
全铝耐火浇注料的配方设计:
通常,选用电熔白刚玉、烧结致密氧化铝或者板状氧化铝等作为全铝耐火浇注料的主原料(骨料颗粒和细粉),而以水合氧化铝(p-Al2O3等)和活性α-Al2O3(超微粉)等作为结合剂,活性氧化铝(选用γ-Al2O3、活性α-Al2O3、双峰氧化铝)作为填料,并添加高效外加剂(其用量一般小于0.5%,如聚烷基苯磺酸盐类和木质素磺酸盐类等)。根据材料目标性能和使用要求选择配比系数q值(颗粒分布PDS),并对细粉(-0.1mm)部分颗粒进行优化。
结合系统(结合剂、活性填料和外加剂)中水合氧化铝与水发生放热反应生成三羟铝石[Al(OH)3]和勃姆石溶胶[AlOOH]起结合作用,其化学反应如下:
Al2O3+2H2O→Al(OH)3+AlOOH
由于水合氧化铝很细,在一定的温度条件下,其水化作用较快,可形成大量的溶胶。因此,加入仅2%水合氧化铝,就能使烧成后的全铝耐火浇注料试样(极限颗粒Dmax=3mm,骨料与基质料的质量比为70:30)获得较高的常温强度,如下表所示。
烧成氧化铝结合全铝耐火浇注料性能指标
水合氧化铝加入量(质量分数)/% | 2 | 3 | 4 | |
体积密度/g·cm-3 | 1550℃×4h | 3.23 | 3.19 | 3.13 |
1600℃×4h | 3.26 | 3.25 | 3.20 | |
显气孔率/% | 1550℃×4h | 15.2 | 16.5 | 18.2 |
1600℃×4h | 14.6 | 15.0 | 16.3 | |
抗折强度/MPa | 110℃×24h | 8.42 | 11.13 | 11.33 |
1100℃×4h | 12.44 | 11.20 | 8.63 | |
1550℃×4h | 37.60 | 36.08 | 33.81 | |
1600×4h | 36.32 | 37.37 | 36.18 | |
耐压强度/MPa | 1100℃×4h | 45 | 50 | 48 |
1550℃×4h | >188 | 138.8 | 111.9 | |
1600×4h | >188 | >188 | 125 | |
线变化率/% | 1100℃×4h | -0.1 | -0.03 | -0.04 |
1550℃×4h | -0.30 | -0.26 | -0.03 | |
1600×4h | -0.63 | -0.64 | -0.64 |
上表结果表明,增加水合氧化锅的配入量达到3%,由于形成了大量的溶胶,结果则使烧成水合氧化铝结合全铝耐火浇注料试样的强度提高了,但继续增加水合氧化铝的配入却不能明显提高材料的强度。
活性填料(例如活性α-Al2O3等)对水合氧化铝结合全铝耐火浇注料(D50约为3μm)流动性的影响示于图3-2中。图中表明,活性填料(α-Al2O3)理想的添加量对水合氧化铝结合全铝耐火浇注料来说,3%~6%(质量分数)为最佳范围。此时添加的活性填料能全部填充到耐火浇注料的孔隙中而无不足和剩余,致使包覆的f-H2O释放出来,湿润颗粒表面,使之具有良好的触变性,在剪切力的作用下,能使耐火浇注料浆体具有良好的流动性。然而,未添加活性填料(α-Al2O3)的水合氧化铝结合全铝耐火浇注料的内部颗粒间存在引力,彼此吸附在一起形成凝聚结构,并包覆大量f-H2O,致使其流动性较差;当添加大量(>6%)的活性填料时,因超微粉表面能很大,而会自发团聚或者吸附(因其吸引能力强),使颗粒吸附在一起,导致内黏滞阻力增大,影响颗粒运动。因此,这种水合氧化铝结合全铝耐火浇注料的流动性变差。
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