高強礬土質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;2.西安交通大學;3.鄭州華宇耐材有限公司)

高強礬土質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;2.西安交通大學;3.鄭州華宇耐材有限公司)

以山西礬土為主要原料，礬土水泥為結合劑，三聚磷酸鈉為減水劑。在試驗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。性能檢測表明:在水泥加入量為4%的時候，澆注料的體積密度較高，耐壓強度好，線變化率小，高強礬土質澆注料的性能達到最佳。

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

高強礬土質澆注料是一種不經高溫燒結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。對高強礬土質澆注料，目前普遍采用礬土水泥作結合劑，產品的性能在很大程度上受結合劑的影響。結合劑礬土水泥加入量過少，導致早期強度低，硬化時間過長，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反應生成鈣長石(CaO·A12O3·2SiO2)等低熔物［1］，降低材料的使用壽命。下面筆者結合企業的實際生產，就減水劑和礬土水泥加入量對高強礬土質澆注料的性能影響所進行的研究做一介紹。

1 試驗

1.1 試驗條件

試驗用原料主要為山西的煅燒鋁礬土和礬土水泥，其化學成份見表1。

表1 原料化學成分 %

1.2 試驗方法

在試驗中，骨料為鋁礬土，粒度10～5 mm、5～3 mm、3～0 mm;細粉為礬土粉和硅微粉，粒度≤0.088 mm;按骨料:細粉=65:35配比稱料攪拌，加水澆注振動成型，自然養護24 h后脫模，在110℃ ×24 h、1100 ℃ ×3 h、1450 ℃ ×3 h燒成，檢測性能。

1.3 試驗內容

首先，測試減水劑三聚磷酸鈉加入量對試樣粘度影響，確定試樣澆注振動成型時的最佳流動條件，以達到試樣澆注振動成型的緊密堆積;其次，在確定減水劑加入量0.18%的基礎上，調整礬土水泥加入量:2%，4%，6%，8%，10%，通過對試樣體積密度、耐壓強度和線變化率等性能的測試，分析和討論了礬土水泥對澆注料性能的影響。

2 試驗結果及分析

2.1 減水劑對試樣黏度的影響

試樣中的細粉料在試驗中由于其顆粒小、活性大，容易產生團聚和拱橋效應，導致試樣成型時加水量增加和黏度增大，對材料成型性能不利。減水劑由于在水中的溶解與電離表現出靜電吸附作用及溶劑化作用，分散膠體顆粒，其分散穩定機制為靜電穩定機制，主要是通過調整顆粒表面電位來促進顆粒在水中的分散性，增加澆注料的流動性，在一定濃度范圍內，減水劑濃度越高分散作用越強，澆注料的黏度就越小，流動性就越大，從而改善澆注料的成型性能。減水劑三聚磷酸鈉對試樣黏度的影響如圖1所示。

圖1 三聚磷酸鈉加入量對試樣粘度影響

由圖1可以看出，當三聚磷酸鈉加入0.18%時，試樣的黏度最小，澆注料的流動性最好。當三聚磷酸鈉加入量小于0.18%時，由于減水劑加入量少，其分散作用弱，對澆注料的流動性改善不大。當三聚磷酸鈉加入量大于0.18%時，加入量繼續增多時，當減水劑在粒子表面吸附達到飽和以后，若再增加減水劑用量，就會出現減水劑過剩現象，過量的減水劑的引入會使一些離子擠進顆粒表面的吸附層，根據壓縮雙電層理論可知［2］，這樣會使雙電層厚度減小，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引起膠體的絮凝與聚沉，澆注料的內粘滯阻力增加，粘度也逐漸增加，流動性就降低。

2.2 水泥加入量對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度，同時也可充填空隙。隨著水泥加入量的增加，試樣成型時所需的加水量也會增加，容易導致試樣高溫燒成時脫水量增加，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，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，成型時加入的水主要以水泥水化產物的形式存在，實際上由于自由水的揮發而對體積密度造成的影響非常小。此時，影響體積密度的主要因素為顆粒級配的堆積致密度，顆粒級配的堆積致密度越高，試樣的氣孔就越少，體積密度就越大。因為水泥粒子的粒度介于微粉和細粉之間，水泥細粉的充填空隙作用在澆注料中起到了連續配料的效果，可降低試樣的氣孔率。當水泥加入量小于4%時，隨著水泥加入量的增大，水泥細粉的充填空隙作用就越強，試樣的氣孔率就降低的越多，試樣的體積密度就越大;當水泥加入量大于4%時，隨著水泥加入量的逐漸增多，水泥充填空隙后出現過剩，過剩的水泥細粉由于拱橋效應［3］而導致材料氣孔率增加，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物的完全脫水，體積密度的變化主要與水泥水化產物的脫水有關。隨著水泥加入量的增加，水化物結合在向陶瓷結合過渡的過程中脫水分解產生的氣孔量也增加，導致氣孔率增加，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。同時由于試樣顆粒級配的堆積致密度影響，也表現出在水泥加入量4%時體積密度最大。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，試樣已進入燒結階段，隨著水泥加入量的增加，1450℃時生成的液相也隨之增加，導致試樣收縮程度增大，使材料結構致密程度提高，體積密度增大。

2)耐壓強度。隨著水泥加入量的增加，試樣烘干后的耐壓強度一般呈增大趨勢。在高溫燒成時，由于水泥水化產物的脫水和高溫低熔物的形成，試樣的耐壓強度變化規律就比較復雜，如圖3所示。

圖3 水泥加入量對試樣耐壓強度的影響

由圖3可以看出，110℃ ×24 h烘干后試樣強度主要來之水泥的凝結硬化。純鋁酸鈣水泥遇水發生水化反應，生成水化產物CAH10和C2AH8等，結晶形成牢固的結晶體，AI(OH)3凝膠充填于晶體骨架的空隙，形成比較致密的結構［4］，使澆注料獲得較高的常溫強度。水泥加入量越多，鋁酸鈣水化產物就多，水化后析出的晶體也增加，交錯分布的晶體增大了試樣的強度，水化的鋁酸鈣晶體形成的交織網絡結構就越發育，材料的致密度就越好，這種結構為澆注料提供了高的強度。

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緩慢脫水，脫水后其多孔狀結構沒有被破壞，因此，其強度不會降低。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，從而使高鋁質低水泥澆注料的中溫強度略高于110℃ ×24 h烘干后的試樣強度。但隨著水泥加入量的增大，在水化物結構和陶瓷結構更替過程中試樣脫水量增大，同時材料尚未達到燒結溫度而提高結構致密化程度，從而形成疏松狀結構，導致澆注料結構區域性破壞，造成中溫強度降低，在水泥加入量大于10%，試樣強度反而小于110℃×24 h烘干后的試樣強度。

在1450℃ ×3 h，試樣耐壓強度比110℃和1100℃有所增大，這是因為在1450℃高溫下，材料燒結作用占主導，坯體中生成大量的鈣長石等低熔物，導致材料燒結致密度提高，其強度的提高與玻璃相固化后的強度有關。隨著水泥加入量的增大，產生大量的低共熔液相，液相具有填充材料空隙，提高材料結構致密化程度的作用，試樣耐壓強度也就逐漸增大;相對于110℃ ×24 h和1100℃ ×3 h，隨著煅燒溫度的升高，澆注料的燒結程度也隨之提高，系統內部物理化學變化進行的也更加充分，試樣耐壓強度也就普遍提高。同時，在1100℃～l500℃煅燒過程中，該澆注料體系中的Al2O3和SiO2反應生成莫來石相，莫來石的生成強化了細粉與顆粒料之間的結合，對提高澆注料的耐壓強度也有一定的貢獻。

3)線變化率。在1100℃ ×3 h燒成時，由于燒成溫度低，試樣的燒結作用不占主導地位。試樣的主要變化是水泥水化產物脫水而導致收縮。雖然隨著水泥加入量的增大，水泥水化產物的脫水量增大，試樣收縮也應增大;但由于水泥水化產物脫水重新生成的CA等高活性礦物增加，其可與材料中加的Al2O3在1200℃左右開始發生反應生成CA2，此反應具有體積膨脹效應［5］，隨著水泥加入量的增大，體積膨脹效應就越強;上述相互消長的變化導致試

樣線變化率的變化幅度總體不大，如圖4所示。

圖4 水泥加入量對試樣線變化率的影響

同時由圖4可以看出，在1450℃ ×3 h，當水泥加入量小于6%，試樣的線變化率變化不大，雖然試樣在1450℃ ×3 h已進入燒結階段，液相的產生會提高材料的致密化程度，表現出收縮現象，但由于高溫處理時試樣中莫來石的析出和晶粒長大，使得膨脹試樣程度增加，從而部分地抵消了燒結收縮，試樣的線變化率變化不大。當水泥加入量大于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就大，試樣的線變化率就大，材料的高溫體積穩定性不好。

3 結論

在高強礬土質澆注料中:加入0.18%三聚磷酸鈉，可降低澆注料的黏度，提高其流動性，減少成型時的加水量;水泥加入量過多或過少，均不利材料性能的提高。當水泥加入量為4%時，試樣耐壓強度高、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。

［1］王誠訓.鋼包用耐火材料［M］.北京:冶金工業出版社，2003:12－14.

［2］韓行祿.不定形耐火材料(第二版)［M］.北京:冶金工業出版社，2003:65 －66.

［3］李曉明，陳瑞金.高純鋁鎂澆注料的研究［J］.陶瓷工程，2000，34(1):7－9.

［4］李曉明.微粉與新型耐火材料［M］.北京:冶金工業出版社，1997:53－59.

［5］王榕林.剛玉低水泥澆注料的研制［J］.河北理工學院學報，2003，25(3):85－89.

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

*聯系人:賈江議，副教授，碩士，河南.洛陽(471003)，河南科技大學材料科學與工程學院;

2011—11—30