關于影響鋁礬土-耐火材料化學性能因素的研究

試樣在110℃下烘烤后，粒度大的藍晶石抗折強度較大，這是因為較粗粒度的藍晶石存在于鋁礬土基體中，使材料抵抗彎矩的能力增加。但對耐壓強度影響并不大。在1000℃、1300℃和1500℃處理之后，耐壓和抗折強度都表現出相同的變化規(guī)律，即粒度越小的藍晶石越有利于提高耐壓和抗折強度。這主要是因為顆粒越大的藍晶石導致試樣的膨脹量就越大，材料的緊密結構逐漸減小，內部結構松散，強度相應降低。此外，試樣經過1300℃熱處理后，由于水泥形成的液相促進了燒結，在燒結驅動力的作用下，試樣顆粒之間的距離被拉近，因此試樣的抗折強度和耐壓強度增大；但當經過1500℃熱處理后，由于藍晶石的膨脹導致了試樣的抗折強度和耐壓強度下降。2.2.3熱膨脹系數試樣在1100℃之前，相同溫度的情況下，藍晶石粒度增大，熱膨脹系數降低。在1100~1400℃時，對于同一組成來說，由于藍晶石的分解并伴有一定的體積膨脹，從而抵消了燒結收縮，熱膨脹系數變化不大。同時粗粒度的藍晶石產生的體積膨脹也比較大，所以在1100~1400℃溫度范圍內，LA1>LA3>LA2。但是在1400℃之后，LA3>LA1>LA2，這是由于藍晶石的粒度對藍晶石轉變?yōu)槟獊硎臏囟仁怯杏绊懙?。LA1和LA2兩種試樣在l400℃左右已經基本完成莫來石化，但LA3試樣大約在l450℃左右才完成莫來石化。由此可以表明，粗粒藍晶石莫來石化的結束溫度要高于細粒藍晶石。2.2.4結論（1）鋁礬土基噴涂料經過1300℃和1500℃熱處理后，線膨脹率隨著藍晶石粒度的增大而增大；（2）鋁礬土基噴涂料經過1500℃熱處理后，體積密度隨著藍晶石粒度的增大而減??；（3）鋁礬土基噴涂料經過1000℃、1300℃和1500℃熱處理后，抗折強度和耐壓強度隨著藍晶石粒度的增大而減小；粗粒藍晶石莫來石化的結束溫度要高于細粒藍晶石。2.3不同粒度紅柱石的影響紅柱石具有較好的抗高溫蠕變性、抗熱震性，且原料本身不需要煅燒，使之成為優(yōu)良的耐火材料，在很多領域廣泛應用。由于紅柱石分解并轉化為熱學性能、高溫力學性能、抗熱震性更好的莫來石，因此，紅柱石材料在對抗熱震性與高溫強度要求高的領域有很好的應用效果。實驗中研究了不同粒度的紅柱石對鋁礬土噴涂料各種性能的影響。2.3.1線變化率和體積密度試樣經過110℃烘干后，三種試樣的線收縮率隨著紅柱石粒度的增大而略有增大，但變化不明顯，這說明不同粒度的紅柱石對調整試樣干燥烘干后的線變化率無明顯作用。試樣經過1000℃熱處理后，三組試樣的線收縮率幾乎無變化。1300℃時，中小顆粒的線收縮相近但與大顆粒的相差較大。試樣經過1500℃熱處理后，試樣的線收縮率隨著紅柱石粒度的增大逐漸增大。含有粗粒度紅柱石的試樣在經過高溫熱處理后產生的收縮大，這是粗粒度的紅柱石分解生成莫來石的溫度要高于細粒度的紅柱石，因此添加粗粒度的紅柱石并不能有效彌補礬土基噴涂料經高溫熱處理產生的收縮。在礬土基噴涂料中引入粗顆粒的紅柱石能夠提高材料的體積密度。由于粗顆粒的紅柱石相變?yōu)槟獊硎姆纸鉁囟容^高，1500℃時紅柱石并不能充分分解轉化為莫來石，材料產生較大的收縮，因此含粗顆粒的體積密度增加比較明顯。2.3.2耐壓和抗折強度不同粒度的紅柱石對礬土基噴涂料的強度影響不是很大，僅在經過高溫1500℃熱處理后，含有粗粒度紅柱石的試樣的強度增加。這也與試樣在1500℃熱處理后有較大的線收縮和較大的體積密度有關。2.3.3耐磨性能粗顆粒的紅柱石更利于基質與骨料的結合，當磨損介質沖蝕試樣表面時，基質與骨料被磨損的程度較為均勻，磨損量要小一些。而引入細粒度紅柱石的試樣，由于基質與骨料結合的不牢固，基質部分容易被沖刷掉，留下裸露的骨料，使其磨損量增大。同時，試樣經過1500℃熱處理后磨損量均小于試樣經過1300℃熱處理后的磨損量。這是由于一方面燒結溫度的提高，促進了材料的燒結；另一方面紅柱石轉化為莫來石的量相應地增加，紅柱石分解轉化產生的SiO2與礬土反應形成的二次莫來石也相應增加，因此提高了材料的耐磨性能。2.3.4熱膨脹系數與熱震穩(wěn)定性同一溫度條件下，基本上試樣的熱膨脹系數隨著紅柱石粒度的增大而增大，熱膨脹系數低的材料的抗熱震性能較好，因此，從理論上講，細粒度的紅柱石可以改善材料的抗熱震性能。實驗證明，細粒度的紅柱石耐壓強度保持率最大，而粗顆粒的耐壓強度最大。細粒度的紅柱石在高溫處理之后轉化分解產生更多的莫來石，這些莫來石無序的分布在試樣中，有一些長柱狀組織相互連接，彼此相互制約和增強從而可以很好的抵抗裂紋擴展，當—個柱狀組織受力導致變形或開裂時，必然受周圍其它柱狀組織的限制與加強，此時表現為抗熱震性能的提高。2.3.5結論(1)添加粗粒度的紅柱石并不能有效彌補礬土基噴涂料經高溫熱處理產生的收縮。(2)礬土基噴涂料的體積密度隨著紅柱石粒度的增大而增大。(3)不同粒度的紅柱石未對礬土基噴涂料經中溫熱處理后的強度產生明顯影響，粗粒度的紅柱石可以提高礬土基噴涂料的經高溫熱處理后的強度。(4)礬土基噴涂料的耐磨性能隨著紅柱石粒度的增大而提高。(5)細粒度的紅柱石有利于改善礬土基噴涂料的抗熱震性能。2.4粘土的影響粘土是一種含水鋁硅酸鹽礦物，由于粘土具有獨特的可塑性、結合性、收縮性和燒結性，因此在耐火材料中具有廣泛地應用。在耐火材料中常利用粘土的收縮作用來抵消其它原料的膨脹作用，以改善耐火材料的性能指標。實驗研究了不同含量的粘土對噴涂料的影響2.4.1線變化率圖7粘土加入量對試樣線變化率的影響粘土的收縮變化來自于兩個方面，干燥收縮和燒結收縮。原料中的藍晶石在1300~1350℃會分解轉化為莫來石，產生體積膨脹。在1000℃時，線收縮率隨著粘土加入量的增大而增大，在1300℃時隨著粘土加入量的增加膨脹率出現減小。當粘土的含量大于2.5%時，由于鋁礬土經過1500℃熱處理后形成低熔點物質，進而產生大量的收縮，其收縮程度大于粘土產生的收縮，隨著粘土含量的增加，鋁礬土的含量依次減少，因此出現隨著粘土含量的增加材料收縮率反而減小的現象。2.4.2耐壓和抗折強度粘土具有優(yōu)良的結合性，粘土顆粒的比表面積大，使得顆粒間的接觸面積也相應的增大。因此，顆粒小的粘土使試樣隨著粘土含量的增加材料的常溫抗折強度和耐壓強度也相應增加。1500℃熱處理后，抗折強度和耐壓強度隨著粘土含量的增加呈現先增加后減小的變化規(guī)律。當粘土的質量分數為2.5％時，抗折強度和耐壓強度達到最大值。這與線收縮率有一定的關系，粘土含量大于2.5%后，線收縮率逐漸減小，導致材料的緊密結構逐漸減小，材料內部逐漸疏松，抗折強度和耐壓強度也相應的減小。2.4.3結論(1)鋁礬土基噴涂料經過110℃烘干和1000℃熱處理后，線收縮率隨著粘土含量的增加逐漸增大；經過1300℃熱處理后，材料的膨脹率逐漸減小，最終出現收縮。經過1500℃熱處理后，當粘土的質量分數為2.5％時，隨著粘土含量的增加材料收縮率減小。(2)鋁礬土基噴涂料經過經過110℃烘干后，抗折強度和耐壓強度隨著粘土含量的增加變化不明顯。經過1000℃和1300℃熱處理后，抗折強度和耐壓強度隨著粘土含量的增加而增加。經過1500℃熱處理后，抗折強度和耐壓強度隨著粘土含量的增加呈現先增加后減小的變化規(guī)律。2.5硅微粉的影響研究發(fā)現在耐火材料中提高細粉的細度可以促進制品的燒結，從而帶來一系列優(yōu)異性能。硅微粉因其具有高比表面積和高表面活性，為耐火材料制品帶來了一系列優(yōu)異性能，從而備受關注。2.5.1線收縮率圖8微粉含量及熱處理溫度對試樣線變化率的影響硅微粉表面缺陷較多，表面質點的活化和無序化較多，具有能態(tài)高、活性大的特點，從而可以促進燒結進程。隨著熱處理溫度的提高，硅微粉逐漸轉變?yōu)橐合?，有利于氣孔的填充，而且在表面張力作用下，試樣顆粒之間的距離被拉近，因此材料的收縮率增大。試樣經過1500℃熱處理后，隨著硅微粉含量的增加，試樣的線收縮率逐漸減小，直至產生膨脹。這是因為硅微粉與棕剛玉發(fā)生反應形成莫來石，同時會產生體積的膨脹，因此造成試樣的線收縮減小，直至產生膨脹。當硅微粉的質量分數為5％時，材料經過不同熱處理溫度后的線收縮率差別不是很大，并且材料收縮率均很小，若材料收縮率過大，將會引起噴涂料在使用中因收縮帶來的開裂，因此會降低材料的使用壽命。2.5.2體積密度在低溫、中高溫時，隨著硅微粉含量的增加有利于試樣內部氣孔的充填，體積密度有所增大。但當試樣經過1500℃熱處理后，試樣的體積密度隨著硅微粉含量的增加呈現減小的變化規(guī)律，這是因為硅微粉與棕剛玉發(fā)生反應，形成莫來石，同時會產生體積的膨脹，導致試樣內部結構疏松。隨著硅微粉含量的逐漸增加，形成莫來石的量也相應增多，體積的膨脹也越來越明顯，因此造成試樣體積密度逐漸下降。2.5.3抗折強度和耐壓強度在較低溫度下，硅微粉顆粒表面水化后形成的Si—OH鍵脫水后聚合而形成牢固的由Si—O—Si鍵結合的微粉網狀鏈結構所致，微粉長鏈反應如下：SiO2—Si—OH+HO—Si—SiO2→SiO2—Si—O—Si—SiO2+H2O。隨著這種網狀鏈結構的增多，硅膠的結合性能也越強，因此在低溫110℃下隨著硅微粉含量的增多試樣的抗折強度和耐壓強度也相應地增加。在中高溫1000、1300℃時，硅微粉與棕剛玉發(fā)生反應形成莫來石，強度增加。因此隨著硅微粉含量的增加，試樣的抗折強度和耐壓強度也相應地增加。試樣經過1500℃熱處理后，隨著硅微粉含量的增加試樣的抗折強度和耐壓強度先減小后增加。這是因為有液相生成，導致材料發(fā)生熔融，因此其強度值相對比較大。其后，隨著硅微粉含量地增加，轉化為莫來石的量也相應的增加，因此試樣的抗折強度和耐壓強度也相應的增加。2.5.4熱膨脹系數同一溫度條件下，鋁礬土基噴涂料的熱膨脹系數隨著硅微粉含量的增加而減小。2.5.5結論（1）本實驗中，制備鋁礬土基噴涂料的最佳硅微粉的質量分數為5％；（2）經過110℃烘干，1000、1300℃熱處理后，鋁礬土基噴涂料的抗折強度和耐壓強度隨管硅微粉含量的增加而增加；（3）鋁礬土基噴涂料的熱膨脹系數隨著硅微粉含量的增加而減小。2.6鋁酸鈉的影響[8]噴涂料施工時需要有較優(yōu)異的工作時間和較快的硬化，如果噴涂料在噴涂到爐襯后，在較長的時間內不硬化，就會出現噴涂料塌落的情況．在這種情況下，就需要噴涂料在施工后能在較快的時間內硬化，以防止由于硬化較慢帶來的材料塌落。實驗中將加入外加鋁酸鈉含量0.1%、0.2%的試樣與不加鋁酸鈉的試樣對比。2.6.1凝結硬化實驗結果證明，室溫下，未添加鋁酸鈉的噴涂料的硬化時間較長，加入鋁酸鈉的試樣凝結硬化時間明顯縮短，因此，在噴涂料中添加鋁酸鈉可以起到促進噴涂料硬化的作用。硬化時間縮短則工作時間也相應縮短，這便不利于噴涂料施工后的修整工作，并且過量鋁酸鈉的加入也會降低材料的養(yǎng)生耐壓強度。因此，綜合考慮不同鋁酸鈉加入量對噴涂料工作時間、硬化時間和養(yǎng)生耐壓強度的影響，可以看出在本實驗條件下鋁酸鈉的最佳加入量為0.1%。其作用機理為：CaO·Al2O3+H2O→CaO·Al2O3·10H2O(六方)(低于20℃～22℃)，CaO·Al2O3+H2O→2CaO·Al2O3·8H2O(六方)+Al2O3·3H2O(>25℃)→3CaO·Al2O3·6H2O(六方)+Al2O3·3H2O(35℃～45℃)．在噴涂料中添加促凝劑鋁酸鈉，使水泥組分中鋁酸一鈣、鋁酸二鈣等加速進入溶液析出水化物，因此加速了水泥的水化反應，使水泥得以較快速硬化，從而使噴涂料縮短了硬化時間，同時也減少了工作時間。2.6.2體積密度與線收縮率鋁酸鈉是一種低熔點鹽類物質，將其添加到噴涂料中，在高溫下較易促進材料的燒結，導致氣孔不斷減少，致密化程度提高，因此試樣的體積密度增大。同時，燒結過程中試樣內部產生液相，在表面張力的作用下，試樣的顆粒之間的距離被拉近，因此隨著鋁酸鈉含量的增加，試樣的線收縮率逐漸增大。2.6.3抗折強度和耐壓強度試樣經過110℃烘干后，試樣的抗折強度隨著鋁酸鈉質量分數的增加而降低；經過1000℃熱處理后，試樣的抗折強度隨著鋁酸鈉質量分數的增加而增大；經過1300℃熱處理后，試樣的抗折強度隨著鋁酸鈉質量分數的增加無明顯變化；經過1500℃熱處理后，試樣的抗折強度隨著鋁酸鈉質量分數的增加而增大。試樣經過110℃烘干后，以及經過1000℃和1300℃熱處理后，試樣的耐壓強度隨著鋁酸鈉質量分數的增加而降低；經過1500℃熱處理后，試樣的耐壓強度隨著鋁酸鈉質量分數的增加而增大。由此可見，在噴涂料中添加鋁酸鈉后，會對材料低溫干燥后的抗折強度和耐壓強度造成一定影響，但對材料中溫、中高溫的抗折強度起到了增大的作用，同時影響了材料中溫、中高溫的耐壓強度．雖然對于高溫1500℃的抗折強度和耐壓強度均起到了增大的作用，但由于試樣有熔融現象的產生，試樣表面有裂紋，因此降低了材料的使用溫度。2.6.4結論(1)在本實驗條件下鋁酸鈉的最佳加入量為W(Na2O·Al2O3)=0.1％．(2)在噴涂料中添加鋁酸鈉后，會降低噴涂料的使用溫度。第三章，展望與致謝未來耐火材料的技術將向著長壽、低耗、節(jié)能、環(huán)保、低碳、回收利用與功能型相結合的方向進行研究與創(chuàng)新，從而提高綜合服務能力，從整體提升我國耐火材料產