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棕刚玉、铝矾土对焦宝石基喷涂料性能的影响
棕刚玉、铝矾土对焦宝石基喷涂料性能的影响
不定形耐火材料在耐火材料领域占有重要位置, 在不定形耐火材料中焦宝石基喷涂料又因其施工快速、操作简单及施工后整体性好等优点逐渐受到人们的青睐。但近年报道喷涂料应用方面的研究较多, 而研究原料对焦宝石基喷涂料性能影响的文章较少。笔者主要以焦宝石基喷涂料为基础, 研究棕刚玉和铝矾土对其基本性质的影响, 找出这两种原料的替换和添加对材料线变化率、抗折强度、耐压强度的影响。 主要原料为焦宝石、蓝晶石、铝矾土、棕刚玉、铝酸盐水泥及硅微粉。按照表1配方组成进行配料, 具体是将骨料及粉料加入搅拌罐中, 搅拌均匀后取出,然后制作成160 mm×40 mm×40 mm的标准试样。试样经110 ℃烘干24 h后再分别于1 000 ℃、1 300 ℃、1 500 ℃烧结3 h, 分别测试经过不同热处理温度后试样的线变化率、抗折强度和耐压强度。
采用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, 并通过计算求得它的线性变化率。用日本产CT-1000型抗折实验机测试试样的抗折强度。用日本产MS-20-S1型耐压试验机测试试样的耐压强度。 图1为分别含有20%棕刚玉 (Z) 、10%棕刚玉和10%铝矾土 (Z+A) 、20%铝矾土 (A) 的焦宝石基喷涂料经110 ℃、1 000 ℃、1 300 ℃、1 500 ℃处理后的线变化率。可见焦宝石基喷涂料中:Z体系线变化率随温度的升高而增大, 但在1 000 ℃和1 300 ℃时线变化率相同 (-0.24%) ;A体系线变化率随温度的升高先增大后减小, 拐点出现在1 000 ℃;Z+A体系线变化率随温度的升高先增大后减小最后再增大。 在升温过程中伴随着物理水和结晶水的失去, 图中三个体系均在1 000 ℃的热处理过程中收缩率增大, A体系在1 000 ℃时因铝矾土内部已经开始初步莫来石化体积膨胀，所以该温度时其线变化率小于Z体系;A体系在1 300 ℃时莫来石化进一步进行, 另外该温度时蓝晶石分解形成莫来石导致的膨胀和铝酸盐水泥形成玻璃相的收缩这三种原因综合导致A体系仍然收缩,但收缩率为1 000 ℃时的0.44倍。同理1 300 ℃时Z体系中蓝晶石的膨胀和铝酸盐水泥的收缩这两种因素相互抵消,所以该温度下Z体系的收缩率与1 000 ℃相同;A体系在1 500 ℃时虽然体系中的硅微粉和杂质氧化铁、钛及碱金属的氧化物均已形成液相导致体系趋于致密, 但此时铝矾土的莫来石化刚好基本完成[4], 同时基质焦宝石也已经膨胀, 所以该温度下的收缩率仅为1 000 ℃时的0.28倍。同理大量液相的形成导致1 500 ℃下Z体系的收缩率为1 000 ℃时的1.88倍。由于以上原因Z+A体系除110 ℃以外线变化率均处于Z和A体系之间, 而且线变化程度更接近于Z体系。 棕刚玉、铝矾土对试样的常温抗折强度和耐压强度的影响见图2和图3, 可见三种体系的常温抗折强度和耐压强度均随热处理温度的升高先减小后增大, 而且拐点均在1 000 ℃。拐点温度下Z、Z+A、A体系的常温抗折强度与其110 ℃和1 300 ℃相比分别下降了0.28 MPa、1.08 MPa、0.36 MPa和0.69 MPa、3.97 MPa、2.99 MPa, 拐点温度下的耐压强度与其110 ℃和1 300 ℃相比也分别下降了1.8 MPa、0.9 MPa、0.9 MPa和0.5 MPa、9.6 MPa、5.3 MPa。1 500 ℃时三种体系的常温抗折和耐压强度比1 300 ℃时显著增加。
因为110 ℃时体系的结合剂主要为铝酸盐水泥, 但1 000 ℃时该结合剂结合强度下降导致了抗折强度和耐压强度的下降;随着温度的升高即1 300 ℃时铝矾土已部分莫来石化, 蓝晶石也分解形成莫来石, 同时铝酸盐水泥和杂质形成的部分玻璃相也有利于莫来石晶体的发育。所以该温度下Z+A、A体系与其1 000 ℃时相比抗折强度和耐压强度都有较大增加, 且该温度下两体系的抗折强度是Z体系的1.42倍和1.37倍, 耐压强度是Z体系的1.39倍和1.23倍。1 300 ℃时Z+A体系的抗折强度和耐压强度均强于A、Z体系, 可能因为Z+A体系中的莫来石化以及玻璃相的形成有利于棕刚玉和硅微粉相互接触并生成莫来石新相;1 500 ℃时随着液相的大量形成三种体系内的气孔迅速缩小, 气孔率减低, 试样逐渐趋向致密。由于棕刚玉的强度高、表面自由能大、晶格缺陷多、中高温下易产生固相烧结[5]的特点使该温度下Z体系的抗折强度和耐压强度最强, 而Z+A、A体系随着棕刚玉含量的减小强度依次降低。Z+A体系因热处理温度变化而导致的抗折强度和耐压强度变化更接近于A体系。
1) 随着热处理温度的提高焦宝石基喷涂料:单添棕刚玉时其线变化率呈现收缩趋势, 但1 000 ℃和1 300 ℃的收缩率相同;单添铝矾土时呈现先收缩后膨胀的趋势;按比例1∶1双添棕刚玉和铝矾土时呈现先收缩后膨胀最后再收缩的趋势。双添加棕刚玉和铝矾土的体系其线变化率的变化程度更接近于单添加棕刚玉的体系。 2) 110 ℃和1 300℃时添加棕刚玉、棕刚玉-铝矾土、铝矾土的体系与其1 000 ℃相比:单添棕刚玉体系的抗折、耐压强度波动范围最小, 分别为0～0.69 MPa和0～1.8 MPa;单添铝矾土与双添棕刚玉和铝矾土的体系次之;1 500 ℃时三体系的抗折、耐压强度随棕刚玉含量的减小而降低;双添加棕刚玉和铝矾土的体系其抗折、耐压强度变化程度更接近于单添加铝矾土的体系。
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