水冷梁包扎用防爆快干自流澆注料的研制

王錦濤，李宗寶，于蓓蓓，任建秀，孫學運

（山東耐材集團有限公司王鋁分公司，山東 淄博 255311）

1 前言

目前，軋鋼加熱爐水冷管包扎用自流耐火澆注料取得了良好效果。采用自流耐火澆注料制作燒嘴磚和修補爐頂、爐墻損毀部位，也有很好的作用［1］。要研制出符合要求、性能良好的澆注料，需要進行多方面的研究［2］，澆注料必須有良好的自流性能和防爆性能，要有足夠的強度和較低的燒后線變化。

近期山東耐材集團有限公司王鋁分公司（簡稱山耐王鋁）接到某軋鋼廠加熱爐水冷梁包扎維修的訂單，根據軋鋼廠方給出的指標（見表1），進行了水梁包扎用自流快干防爆澆注料的研發，著重進行基于基礎配方的流動性、抗爆性、抗折耐壓強度以及燒后線變化率的改進。

表1 防爆快干自流澆注料指標要求

2 試驗分析

防爆快干自流澆注料指標要求如表1所示。

2.1 試驗思路

（1）基礎配方選用軋鋼加熱爐爐墻低水泥澆注料產品和水梁用低水泥自流澆注料產品配方。（2）進行多級料配，驗證合理的級配是否改善澆注料的性能。（3）對比加入不同量不同種類的氧化鋁微粉、高純度的硅微粉和鋁酸鈣水泥的試樣指標，找出改善澆注料性能的最佳配比和最佳種類搭配。

2.2 原料及試驗方案

試驗用的主要原料有高鋁礬土熟料、氧化鋁微粉、二氧化硅微粉和鋁酸鈣水泥。主要原料的化學組成見表2。

表2 主要原料的化學組成（質量分數） %

如表3 所示，按照骨料與基質65∶35 的質量比進行配料，加入不同品號的二氧化硅微粉和不同品號及加入量的鋁酸鈣水泥，用1～0 mm的藍晶石替換部分高鋁礬土，配方代碼分別記為ZKF-1、ZKF-2、ZKF-3和ZKF-4。再對骨料粒度級配進行調整，按照骨料與基質64∶36的質量比進行配料，同時再引入新的活性氧化鋁微粉、二氧化硅微粉、金屬鋁粉和鋁酸鈣水泥，研究對該澆注料的影響，配方編號分別記為ZKF-5、ZKF-6和ZKF-7。

表3 試樣配比組成（質量分數） %

2.3 試驗過程和性能檢測

將按配方配料的各原料混勻、攪拌后，按照CB/T 5302.1 標準要求測定澆注料的流動值，加水量見表4。經振動澆注成型為40 mm×40 mm×160 mm的試樣，并按照YB 2209 的有關標準進行養護，觀察并記錄凝固時間見表4。試樣拆模后進行110 ℃干燥和1 350 ℃×3 h 熱處理，按照GB/T 2997 標準要求檢測試樣烘干和熱處理后的體積密度和線變化率，按照GB/T 3001 標準要求檢測試樣的冷態抗折、耐壓強度；按照GB/T 3002標準要求檢測試樣的高溫抗折強度，數據見表5。

表4 常溫物理性能及凝固時間

表5 試驗結果

抗爆試驗：電爐預先加熱到600 ℃，保溫30 min。將脫模后的試樣成型面朝上，迅速放入爐內，關閉爐門并開始計時，爐溫恢復到600 ℃后，試樣在此溫度保溫30 min。觀察試樣是否爆裂，發現試樣ZKF-1、ZKF-2、ZKF-4、ZKF-5和ZKF-6無爆裂，試樣ZKF-3有微裂紋，試樣ZKF-7出現裂紋。

3 結果分析

3.1 加入不同粒度級配和微粉對常溫物理性能的影響

由圖1可知，ZKF-4和ZKF-5試樣自流效果更好。一般情況下，加水量和流動性成正比關系，即相同配方在一定范圍內，加水量越多，流動性越好。影響流動性的因素有很多，在骨料選擇方面，在相同加水量的情況下，以球形等相對均勻的顆粒為骨料相比以長條、棱角形等顆粒為骨料制成的澆注料流動性能更好，這主要是由于球形、橢球形顆粒之間空隙更易被填充，可以減小顆粒之間的摩擦；合理的粒度級配對提高流動性能也很重要，級數多，粒度波動越小，流動性能越好；引入減水劑等添加劑對流動性能也會有所影響。

圖1 不同粒度級配和微粉加入對常溫物理性能的影響

3.2 加入不同粒度級配和微粉對體積密度的影響

加入不同粒度級配和微粉對體積密度的影響見圖2。由圖2 可以看出，ZKF-2、ZKF-4 和ZKF-6的體密更高，這表明二氧化硅微粉2和鋁酸鈣水泥1 對增加體密有更明顯的作用。相對均勻、粗顆粒少的試樣體密相對更高，這是因為顆粒與基質間的大量空隙易被填充，易形成緊密堆積，提高了體積密度。

圖2 不同粒度級配和微粉加入對體積密度的影響

3.3 加入不同粒度級配和微粉對強度的影響

加入不同粒度級配和微粉對強度的影響分別見如圖3、圖4。從ZKF-7可以看出，水泥對澆注料強度有較大的影響，水泥作為結合劑，使澆注料基質的剪切應力增大，基質的黏度增加，提高澆注料的強度。同時加水量少的試塊強度越高，這表明合理的粒度級配、優質微粉的適量引入及減水劑的使用對提升澆注料的強度也很重要。

圖3 不同粒度級配和微粉對抗折強度的影響

圖4 不同粒度級配和微粉對耐壓強度的影響

3.4 加入不同粒度級配和微粉對燒后線變化的影響

由圖5可以看出，ZKF-1、ZKF-2和ZKF-4的燒后線變化率較低。均勻合理的粒度級配和微粉的加入提高體積穩定，有效促進試樣的燒結，使線變化率小。

圖5 不同粒度級配和微粉對燒后線變化的影響

3.5 防爆性能

添加防爆纖維是澆注料最有效的防爆措施之一。澆注料受熱后，防爆纖維迅速收縮、分解，同時在澆注料中形成氣孔通道，從而讓澆注料因受熱而產生的水蒸氣迅速擴散出去，提高該澆注料的防爆性能。

3.6 快干性能

根據凝固時間來看，在快干澆注料中加人活潑金屬Al粉，與水混合后發生放熱反應，使澆注料的溫度高達70 ℃左右，同時產生的氣體形成通道，把水蒸氣引出，加速了澆注料的硬化。由于澆注料內部形成均勻氣孔通道，有利于澆注料中的水分暢通排出，故能實現快速烘烤。其次Al 粉與水作用產生放熱反應，促進超微粉、黏土凝聚發生反應，從而提高其強度。但從澆注料施工方面考慮，Al粉加入少會導致凝固過慢拖延工期，Al粉加入過多會導致氣孔過多，強度下降且硬化過快影響施工。綜合考慮，選擇凝固時間為2.2 h為宜。

4 結語

（1）合理的粒度級配對提高流動性能很重要，級數多，粒度波動越小，流動性能越好；引入減水劑等添加劑對流動性能也會有所影響。

（2）不僅水泥、氧化鋁微粉對試樣的體積密度產生影響，相對均勻、粗顆粒少的粒度配比的配方體積密度相對更高。鋁粉加入越多，反應放熱越快，凝固時間越快，但加入量過多反而會起到降低強度、影響施工的負面作用。

（3）合理的粒度級配、優質微粉的適量引入及減水劑的使用對提升澆注料的強度很重要，可以提高體積穩定，有效促進試樣的燒結，使線變化率小。

（4）根據試驗結果和客戶需求，山耐王鋁從加水量、流動性、強度、防爆性能、凝固時間和燒后線變化等因素綜合考量，優選出ZKF-6號澆注料配方。山耐王鋁生產的軋鋼加熱爐水冷管用澆注料已在國內某大型鋼廠投入使用，完全滿足生產要求。