通过采纳各种复杂的工艺来提高钢的质量和产量, 钢铁行业经历了实质性的改变, 尤其是在质量上的提高是显著的。因此, 钢铁行业各领域中使用的耐火材料面临着巨大的挑战以满足高温下重要操作参数的要求。生产者要求耐火材料性能好且故障少。因此, 耐火材料研究者、生产者和使用者的注意力从传统的定型耐火材料转移到了不定形耐火材料上。在多种不定形耐火材中, 浇注料在研究、开发、 制造和应用领域处于领先地位。耐火浇注料 ( 通过浇铸/浇注安装) 是由耐火材料颗粒、基质成分、粘结剂和添加剂预先搅拌而成的混合物。使用目的不同, 每种浇注料组成中各种成分的比例随之变化, 以获得所需的性能。从应用角度来看, 对低水泥或抗絮凝浇注料的需求更多并在持续增长, 这是因为它们的需水量低且流动性好, 并且具有良好的热机械性能和抗腐蚀性。这些改进都可以通过使用质量高的原材料、先进的配方、更好的安装和维护技术来实现。
此外, 对于浇注料来说, 可以同时具有流动性和强度 ( 两者本身是矛盾的) 。提高填充率和不同成分之间的摩擦可以提高强度但是却会降低流动性。 根据流动性, 浇注料可以分为自流型 ( 在自身重量的作用下流动) 和振动型 ( 在外能如振动的作用下流动) 。这些流动特性从根本上来说是由粒度分布决定的。很多研究者包括Furnas等人已经对粒度分布进行了深入研究。从这些模型可以总结出: 如果分布系数 ( q值) 小于0. 25, 浇注料是自流型的, 大于该值就是振动型的。这些作者以前已经进行过相似的工作, 研究白刚玉 ( TA) 和活性氧化铝 ( RA) 对q值为0. 21和0. 23的自流型浇注料的影响。结果表明含RA的配料具有更好的性能。 本文通过使用两种不同的氧化铝粉 ( TA和RA) , 对根据Dinger - Funk模型设计的分配系数分别为0. 27和0. 29的高铝低水泥耐火浇注料进行试验, 研究了氧化铝粉对浇注料各项性能的影响。 高铝自流型浇注料是使用白刚玉 ( WTA) 、白熔融氧化铝 ( WFA) 颗粒/骨料、氧化铝粉、硅粉和添加剂如抗絮凝剂、缓凝剂和有机纤维配制而成的。表1示出了这些原材料的物理化学性质。表2示出的是根据Dinger和Funk提出的公式计算出来的分配系数为0. 27和0. 29的浇注料, 配制时所需的不同粒径组的百分比。使用q值分别为0. 27和0. 29的氧化铝粉TA和RA ( 分别为27TA、29TA、27RA和29RA) 配置出4份浇注料样品。所有合成物都含有同样质量百分比的高铝水泥( 4% ) 、硅粉 ( 5% ) 、抗絮凝剂 ( 聚甲基丙烯酸铵) ( 0. 3% ) 、抗定型剂 ( 柠檬酸) ( 0. 1% ) 以及有机纤维 ( 聚丙烯) ( 0. 05% ) 。所有浇注料合成物都是在相似的条件下加工而成的。 首先, 把所有原材料都放在一个行星搅拌器中干混, 然后加水直至达到所需的流动性。用一个黏度杯, 在一个振动桌上以3 200 ~ 4 000v·min-1 ( 每分钟振动次数) 、0. 5mm的振幅做振动测试30s, 来测量混合物的流动性。在浇注料流动或散开的4个方向上分别测量流量值, 取平均值。 接着把混合物倒入润滑过的50mm3的钢锭模中。多余的混合物用小铲刮掉并抹平。混合物在钢锭模中放在潮湿的环境下进行老化24h。然后去模风干24h后, 再用炉子在110℃下干燥24h。接下来再把这些干燥的样品焙烧至950℃ 和1 550℃, 并在峰值温度下保温2h。测量干燥焙烧后的立方体的体积密度 ( BD) 和常温耐压强度 ( CCS) 。混合物的性质是根据印度标准局 ( BIS) 规范IS 10570和1528 -1974进行测量的。本文中的每个测量数据都是5次测量结果的平均值。另外对经过1 550℃ 焙烧后的样品进行了相分析, 以判断在焙烧期间相是否发生了变化。 表1给出了初始原材料的物理化学性质, 可以看出这些原材料很纯净, 杂质极少。在两种不同的氧化铝粉中, RA ( 活性氧化铝) 比TA ( 技术氧化铝) 稍微纯一些、细一些。图1示出了不同颗粒物在分布系数q分别为0. 27和0. 29时的粒径分布情况。最大粒径为3mm的颗粒的CPFT是100% , 而最小粒径1μm的颗粒则显示CPFT为0% 。分配系数为0. 29的合成物中粗颗粒的含量更高一些。
各种浇注料的需水量非常相似, 如图2所示。只是在q值增大以及使用RA代替TA时需水量稍微降低一点点。q值越高意味着细粉含量越低, 因此面积小, 需水量少。另外, q值增加会造成流动性值降低 ( 见图3) , 这是由于粗颗粒含量较大, 摩擦力较大造成的。但是, 含RA的合成物, 在两个q值下都显示出较好的流动性。RA在本质上比TA活性更好, 粒度更细, 因此有助于减少需水量, 提高浇注料的流动性。
3. 1体积密度研究
经研究, 不同组成的浇注料的体积密度 ( BD) 与加热温度的关系如图4所示。密度值随q值的增加而增大, 并且在RA存在的情况下较大。较高的q值意味着较粗的颗粒比例较大, 其体积密度值比细颗粒大。此外, 较好的流动性和较低的水分有填充好, 气孔少, 压实度大和较高体积密度值的优点。加热温度从110℃升到950℃未发现体积密度值降低。 温度进一步升高到1 550℃, 由于混合物成分烧结而造成体积密度值急剧下降。RA本身就更细一些, 活性更好一些, 因而烧结程度更高,试验发现含29RA的混合物的最大体积密度值是3. 09。
3. 2常温耐压强度研究
不同组成的浇注料的常温耐压强度 ( CCS) 与加热温度的关系如图5所示。试验发现常温耐压强度随着温度的升高而增强, 也没有在中间温度时因水硬性胶结断裂而降低。压实度高及使用有机纤维等可能是阻止强度损失的原因。温度进一步升高至1 550℃ , 进一步的烧结使强度值显著增大。另外还发现, 在较大q值及含RA的情况下强度值更高一些。更好的压实度和密实度可能是产生这两种结果的原因。
3. 3相分析研究
对加热后的各个试样进行相分析研究显示几乎没有什么变化, 图6所示的是以27RA试样为代表的X射线衍射图。可以看出, 在所有组合物中, 刚玉是主相, CA2是次生相, 都不含CA6相。另外还没有发现CA相, 虽然水泥中存在此相。这可能是由于氧化铝粉与浇注料基质中的CA相在高温下发生反应, 形成CA2相而造成的。同时伴随着烧结, 该反应使基质具有更好的粘结性, 因而致密性和强度更好。
4结论
在需水量稍微降低的情况下使用活性氧化铝可以提高浇注料的流动性。提高q值虽然也可以降低需水量, 但是流动性也会降低。使用活性氧化铝, 浇注料的密度和强度值在任何温度下都较高。CA相与浇注料基质中的氧化铝粉发生反应仅形成CA2相, 这可能是较高温度下强度增加较快的原因。
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