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骨料類(lèi)型對(duì)Al2O3-SiO2質(zhì)澆注料性能的影響
摘 要：以低水泥Al2O3-SiO2質(zhì)澆注料為基礎(chǔ)，以80礬土均化料從粗顆粒分級(jí)替代80高鋁礬土熟料，研究骨料種類(lèi)對(duì)Al2O3-SiO2質(zhì)澆注料加水量、流動(dòng)性、不同熱處理溫度材料的常溫物理性能和高溫體積穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：礬土均化料可以降低澆注料的加水量，提高體積密度，降低材料的顯氣孔率。不同溫度熱處理后，以礬土均化料為骨料的澆注料具備更好的常溫力學(xué)性能。礬土均化料的燒結(jié)性高于普通礬土熟料，表現(xiàn)在1400℃熱處理后澆注料收縮更為顯著。礬土均化料具有與普通礬土熟料相異的顯微結(jié)構(gòu)及性能特征，可為Al2O3-SiO2質(zhì)澆注料的性能設(shè)計(jì)提供更多選擇。
不定形耐火材料具有工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)能耗低，施工效率高，整體性好等優(yōu)點(diǎn)，其在耐火材料中所占比例已成為衡量耐火材料總體發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。目前，我國(guó)該比例約為39%（數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)耐火材料行業(yè)協(xié)會(huì)2020年第一期情況通報(bào)），與日本、歐洲的超過(guò)半數(shù)相比，我國(guó)不定形耐火材料仍有巨大發(fā)展空間【1-3】。其中Al2O3-SiO2質(zhì)澆注料是應(yīng)用最廣泛的不定形耐火材料，主要以高鋁礬土熟料為主原料。我國(guó)鋁礬土因多年無(wú)序開(kāi)采和大量消耗，高品位優(yōu)質(zhì)鋁礬土礦越來(lái)越少，加之目前多采用豎窯燒成以降低能耗，導(dǎo)致高鋁礬土熟料普遍質(zhì)次價(jià)高。與此相比，礬土均化料可利用低品位礦且性能更為穩(wěn)定并因此而日趨受到重視[4,5,6,7]。
在本工作中，在傳統(tǒng)低水泥Al2O3-SiO2質(zhì)澆注料的基礎(chǔ)上，使用80礬土均化料從粗顆粒逐級(jí)替代80礬土熟料，研究骨料種類(lèi)對(duì)Al2O3-SiO2質(zhì)澆注料加水量、流動(dòng)性、不同溫度處理后的常溫強(qiáng)度和高溫體積穩(wěn)定性的影響。
1 試驗(yàn)
1.1 原料
試驗(yàn)所使用的80礬土熟料通過(guò)倒焰窯直接煅燒生礦制得。80礬土均化料是把鋁礬土原礦經(jīng)過(guò)選礦、破碎、配礦和球磨均化，然后機(jī)壓成型高溫煅燒，得到的一種成分均勻，結(jié)構(gòu)致密的優(yōu)質(zhì)高鋁耐火原料。礬土均化料工藝流程如圖1所
圖1 礬土基均化料的生產(chǎn)工藝流程圖
表1是兩種原料的理化指標(biāo)。由表1可以看出，兩種原料的成分接近，礬土均化料和礬土熟料的體積密度分別為2.92和3.17 g·cm-3，前者顯氣孔率是后者的1倍多，均化料具有更高的致密度。 表1 80礬土熟料和80礬土均化料的理化指標(biāo)
1.2 試驗(yàn)方案
試驗(yàn)配方見(jiàn)表2。以低水泥Al2O3-SiO2質(zhì)澆注料為基礎(chǔ)，用80礬土均化料逐級(jí)替代80礬土熟料，研究礬土均化料對(duì)Al2O3-SiO2質(zhì)澆注料的影響。 表2 試驗(yàn)配比
1.3 制樣及實(shí)驗(yàn)過(guò)程
按照表2配料，物料先干混1 min，加水后再混3 min，采用傳統(tǒng)振動(dòng)澆注成型工藝制備所需各規(guī)格試樣，模內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，再經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)24 h后，于110℃烘烤24 h。部分試樣于1000和1400℃保溫3h熱處理。對(duì)烘干和熱處理后的試樣，按照GB/T 2997—2000測(cè)體積密度和顯氣孔率，按GB/T 3001—2007測(cè)常溫抗折強(qiáng)度，按GB/T 5072—2008測(cè)常溫耐壓強(qiáng)度，按GB/T 5988—2007檢測(cè)1000和1400℃保溫3 h的加熱永久線變化率。
2 結(jié)果與分析
2.1 加水量、流動(dòng)值
圖2示出了澆注料流動(dòng)值和對(duì)應(yīng)加水量。由圖2可知，3組澆注料具有較好且相近的流動(dòng)性，其加水量隨著礬土均化料的增加顯著降低。由表1可知，礬土均化料相對(duì)礬土熟料更為致密，吸水率更低，以其作為骨料，可降低澆注料的加水量。圖2 澆注料的加水量和流動(dòng)值
從圖3的3組澆注料的流動(dòng)性衰減結(jié)果可知，澆注料流動(dòng)性衰減主要受基質(zhì)組成的影響，骨料的改變對(duì)S0、S1和S23組澆注料衰減特性影響不大，三者具有相近的衰減趨勢(shì)。
圖3 澆注料的流動(dòng)值
2.2 體積密度、顯氣孔率
表3是澆注料不同溫度熱處理后的體積密度和顯氣孔率。由表3可知，隨著礬土均化料對(duì)礬土熟料的逐級(jí)替代，澆注料的體積密度逐漸增大，顯氣孔率逐漸降低。1000℃保溫3 h熱處理后試樣的顯氣孔率最高，1400℃熱處理后顯氣孔率又降低。表3 試樣的體積密度和顯氣孔率由以上可以明顯看出，礬土均化料對(duì)提高材料的致密性，降低顯氣孔率作用明顯。一方面，礬土均化料骨料本身比較致密；另一方面，含礬土均化料的澆注料加水量低，導(dǎo)致其氣孔低。1000℃物料出現(xiàn)燒失，而此時(shí)膨脹劑還未起作用，所以，此時(shí)澆注料顯氣孔率最高。1400℃高溫?zé)崽幚砗?，由于燒結(jié)收縮和膨脹劑的綜合作用，導(dǎo)致材料致密度增加，顯氣孔率降低。
2.3 常溫力學(xué)性能
圖4和圖5示出了澆注料熱處理后的常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度?？芍?10℃烘24 h三組澆注料常溫強(qiáng)度差別不大1000和1400℃熱處理后，隨均化料替代量增加，澆注料的抗折強(qiáng)度逐漸提高。材料抗折強(qiáng)度的主要影響因素是基質(zhì)和骨料的結(jié)合強(qiáng)度。低溫處理后，強(qiáng)度主要來(lái)自水泥水化產(chǎn)物。高溫?zé)崽幚砗螅Y(jié)合強(qiáng)度主要來(lái)自新物相和燒結(jié)。由于玻璃相的均勻分布，礬土均化料高溫?zé)崽幚砀菀装l(fā)生燒結(jié)，所以，隨著均化料逐級(jí)替代礬土熟料，經(jīng)過(guò)高溫?zé)崽幚砗?，材料結(jié)合強(qiáng)度更大。圖4 不同熱處理溫度澆注料的常溫抗折強(qiáng)度
圖5 不同熱處理溫度澆注料的耐壓強(qiáng)度
2.4 加熱永久線變化率
圖6示出了澆注料分別在1000和1400℃保溫3 h熱處理的加熱永久線變化率。可知：3組澆注料試樣1000℃保溫3 h都出現(xiàn)收縮，在此溫度下，膨脹劑還未起作用。在1400℃保溫3 h，添加礬土熟料為骨料的澆注料加熱永久線變化率為正值，澆注料發(fā)生膨脹。隨著礬土均化料對(duì)礬土熟料的逐級(jí)替代，試樣加熱永久線變化率逐漸降低，骨料全為礬土均化料的澆注料1400℃熱處理后出現(xiàn)收縮。高溫下伴隨著液相燒結(jié)，材料體積都會(huì)收縮，膨脹劑的作用是通過(guò)反應(yīng)生成新物相引起膨脹，用于抵消燒結(jié)產(chǎn)生的收縮。礬土熟料和礬土均化料在澆注料中的差異，一方面是均化料玻璃相是均勻分散的，這有利于燒結(jié)的進(jìn)行，從而出現(xiàn)更大收縮。另外，礬土均化料晶粒發(fā)育完整，與膨脹劑反應(yīng)活性差，導(dǎo)致其膨脹反應(yīng)低于礬土熟料，綜合作用導(dǎo)致1400℃熱處理的加熱永久線變化率S2的<S1的<S0的。
圖6 澆注料熱處理后加熱永久線變化率
圖7為典型礬土熟料和礬土均化料的顯微結(jié)構(gòu)照片。低倍下，觀察礬土熟料存在分散的大氣孔，物相分布不均勻，晶粒細(xì)小，幾乎無(wú)法分別出晶界；礬土均化料存在均勻分散的晶粒和密閉氣孔，玻璃相分散在晶粒周?chē)?。高倍下，礬土熟料晶粒依然無(wú)法分辨，剛玉晶粒相互連接在一起；礬土均化料晶粒發(fā)育比較完整，晶粒之間多由鈦酸鋁和玻璃相膠結(jié)。兩者物相組成和顯微結(jié)構(gòu)的差異決定了其在使用中會(huì)給澆注料性能帶來(lái)不同的影響。
圖7 礬土熟料和礬土均化料典型顯微結(jié)構(gòu)照片
3 結(jié)論
(1）以80礬土均化料替代普通80礬土熟料制備的Al2O3-SiO2質(zhì)澆注料，可在更低的加水量下獲得所需流動(dòng)性，且澆注料具有更高的體積密度和相對(duì)更好的常溫及中高溫處理后常溫力學(xué)性能。(2）均化礬土高溫下的燒結(jié)程度更高，以其為骨料的Al2O3-SiO2質(zhì)澆注料經(jīng)1400℃高溫處理后體積收縮高于普通礬土熟料為骨料的澆注料。(3）礬土均化料具有與普通礬土熟料相異的顯微結(jié)構(gòu)及性能特征，可為Al2O3-SiO2質(zhì)澆注料的性能設(shè)計(jì)提供更多選擇。在實(shí)際工作中不應(yīng)囿于孰優(yōu)孰劣之爭(zhēng)，而應(yīng)根據(jù)具體使用條件做出最優(yōu)選擇。
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