不定形耐火材料的品种连年增加, 质量也不断提高, 应用领域逐步扩大。在先进国家, 不定形耐火材料产量已占耐火材料总产量的50%以上, 且有不断增加的趋势。其中, 喷涂料现已成为许多工业窑炉炉衬所使用的一种最重要的不定形耐火材料, 它既可在冷态下用于构筑和修补炉衬以及涂覆成保护层, 更宜于用在热态下修补炉衬。同浇注料相比, 以喷涂方式施工可获得高密实度和高强度的喷涂层, 因为在喷涂施工时, 混合料的各种颗粒具有很高的动量, 可连续地喷射入底层材料之内, 颗粒之间堆集紧密, 嵌合牢固, 从而形成强的结合。但是喷涂料在施工时却有许多需要注意的地方, 例如,喷涂料施工时需要有较优异的工作时间和较快的硬化, 如果喷涂料在喷涂到炉衬后, 在较长的时间内不硬化, 就会出现喷涂料塌落的情况。在这种情况下, 就需要喷涂料在施工后能在较快的时间内硬化, 以防止由于硬化较慢带来的材料塌落。目前, 对喷涂料调节工作时间和硬化时间的研究尚未见报道。 本实验在已有研究工作的基础上, 在喷涂料中加入添加剂铝酸钠, 通过研究不同质量分数的铝酸钠对铝矾土-棕刚玉喷涂料工作时间、硬化时间、线变化率、常温抗折强度和常温耐压强度等性能的影响, 找出铝矾土-棕刚玉喷涂料中添加铝酸钠的最佳加入量, 以提高铝矾土-棕刚玉喷涂料的施工性能。 本实验采用铝矾土 (3~0.425 mm, <0.15 mm) 、棕刚玉 (<0.045mm) 、叶腊石 (<0.425mm) 、蓝晶石 (<0.3mm) 、硅微粉和铝酸钙水泥为原料制备铝矾土-棕刚玉喷涂料, 添加剂使用铝酸钠.所用原料的主要化学组成见表1。
按照下表2的实验方案添加铝酸钠, 具体方法是将骨料及粉料加入搅拌罐中, 搅拌均匀后再加入水搅拌3 min, 然后制备成160 mm×40 mm×40 mm的试样。分别测试喷涂料添加不同质量分数的铝酸钠后, 喷涂料在室温25℃下的工作时间、硬化时间和24 h脱模后的耐压强度 (养生耐压强度)。试样经110℃烘干后分别于1 000℃、1 300℃和1 500℃保温3 h煅烧, 分别测试含有不同质量分数的铝酸钠经过不同热处理温度后试样的线变化率、体积密度、抗折强度和耐压强度。
采用YB/T5200—1993致密耐火浇注料显气孔率和体积密度试验方法, YB/T5203—1993致密耐火浇注料线变化率试验方法, YB/T5201—1993致密耐火浇注料常温抗折强度和耐压强度试验方法, 分别检测烧成后试样体积密度、线性变化率、抗折强度和耐压强度.用游标卡尺测定试样的收缩量,并通过计算求得其线性变化率及体积密度.用日本产CT-1000型抗折实验机测试试样的抗折强度, 日本产MS-20-S1型耐压试验机测试试样的耐压强度。 2.1 铝酸钠加入量对喷涂料工作时间、硬化时间和养生耐压强度的影响
不同铝酸钠加入量与喷涂料工作时间、硬化时间和养生耐压强度的关系见表3.由表3可以看出, 在室温条件25℃下, 未添加铝酸钠的喷涂料的硬化时间较长,为7 h, 添加铝酸钠w (NaAlO2) =0.1%, w (NaAlO2) =0.2%后的喷涂料的硬化时间明显缩短, 因此, 在喷涂料中添加铝酸钠可以起到促进喷涂料硬化的作用。但是, 当添加w (NaAlO2) =0.2%的铝酸钠后的喷涂料的工作时间也相应缩短, 这便不利于喷涂料施工后的修整工作, 并且过量铝酸钠的加入也会降低材料的养生耐压强度。因此, 综合考虑不同铝酸钠加入量对铝矾土-棕刚玉喷涂料工作时间、硬化时间和养生耐压强度的影响, 可以看出在本实验条件下铝酸钠的最佳加入量为w (Na2O·Al2O3) =0.1%。
2.2 铝酸钠改变喷涂料工作时间、硬化时间的机理研究
铝矾土-棕刚玉喷涂料中含有水泥, 由于水泥在低温时形成凝胶比较缓慢, 硬化过程需很长时间.高铝水泥中可水化的矿物主要是铝酸一钙 (CaO·Al2O3, 简写CA) 和二铝酸钙 (CaO·2Al2O3, 简写CA2) .CA具有很高的水硬活性, 它的水化及水化物的结晶对水泥的凝结和硬化有重要影响。CA的水化过程和水化产物与养护温度有密切关系.当温度不同时水化反应的过程和产物也不同, 如下式:
在喷涂料中添加促凝剂铝酸钠, 使水泥组分中铝酸一钙、铝酸二钙等加速进入溶液析出水化物, 因此加速了水泥的水化反应, 使水泥得以较快速硬化, 从而使喷涂料缩短了硬化时间, 同时也减少了工作时间。 2.3 铝酸钠加入量对喷涂料体积密度和线变化率的影响 加入不同含量的铝酸钠经过不同热处理温度后试样LP0、LP1和LP2的体积密度和线变化率见图1和图2。由图1可以看出, 试样经过110℃烘干后, 以及经过1 000℃和1 300℃热处理后, 随着铝酸钠含量的增加, 试样的体积密度逐渐减小;而经过1 500℃热处理后, 随着铝酸钠含量的增加, 试样的体积密度逐渐增大。这是因为铝酸钠是一种低熔点盐类物质, 将其添加到喷涂料中, 在高温下较易促进材料的烧结, 导致气孔不断减少, 致密化程度提高, 因此试样的体积密度增大。由图2可以看出, 试样经过110℃烘干后, 试样的线收缩率变化不明显;经过1 000℃热处理后, 随着铝酸钠含量的增加, 试样由膨胀转变为收缩, 并且收缩率逐渐增大;试样经过1 500℃热处理后, 这种变化规律更为显著。分析其原因也是因为铝酸钠的添加促进了烧结, 使试样内部形成了液相, 在表面张力的作用下, 试样颗粒之间的距离被拉近, 因此随着铝酸钠含量的增加, 试样的线收缩率逐渐增大。
2.4 铝酸钠加入量对喷涂料常温抗折强度和常温耐压强度的影响 加入不同质量分数的铝酸钠经过不同热处理温度后试样LP0、LP1和LP2的常温抗折强度和常温耐压强度见图3和图4。由图3可以看出, 试样经过110℃烘干后, 试样的抗折强度随着铝酸钠质量分数的增加而降低;经过1 000℃热处理后, 试样的抗折强度随着铝酸钠质量分数的增加而增大;经过1 300℃热处理后, 试样的抗折强度随着铝酸钠质量分数的增加无明显变化;经过1 500℃热处理后, 试样的抗折强度随着铝酸钠质量分数的增加而增大。由图4可以看出, 试样经过110℃烘干后, 以及经过1 000℃和1 300℃热处理后, 试样的耐压强度随着铝酸钠质量分数的增加而降低;经过1 500℃热处理后, 试样的耐压强度随着铝酸钠质量分数的增加而增大。由此可见, 在喷涂料中添加铝酸钠后,会对材料低温干燥后的抗折强度和耐压强度造成一定影响, 但对材料中温、中高温的抗折强度起到了增大的作用, 同时影响了材料中温、中高温的耐压强度。虽然对于高温1 500℃的抗折强度和耐压强度均起到了增大的作用, 但由于试样有熔融现象的产生, 试样表面有裂纹, 因此降低了材料的使用温度。
(1) 在本实验条件下铝酸钠的最佳加入量为w (Na2O·Al2O3) =0.1%。
(2) 在铝矾土-棕刚玉喷涂料中添加铝酸钠后, 会降低喷涂料的使用温度。
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