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耐火材料用超微粉及作用机理 | 技术前沿

发布时间:2021-04-22
不定形耐火材料是不经过煅烧的耐火材料,其发展速度十分快,日本、美国和德国的产量已占耐火材料总产量的1/3以上,使用范围已从轧钢工业炉扩展到炼钢和炼铁等高温窑炉,解决了一些关键工艺设备衬里问题。
 

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图注: SiO2超微粉(左) α-Al2O3超微粉(右)
 

超微粉作用机理复杂,超微粉品种不同其作用机理也有区别。

 

在耐火浇注料中,超微粉的基本作用机理是填充空隙。传统耐火浇注料虽然堆积密度较大也较致密,但仍有众多的孔隙被过量的水填满,水样除后,留下许多孔隙。当采用超微粉后,这些孔隙被超微粉填充,极少量的微孔被水填满,这样,耐火浇注料的拌和水量降低,成型体中的水排除后,留下的孔隙也较少。也就是说,在耐火浇注料中掺加超微粉可降低拌和用水量,同时能提高体积密度和降低显气孔率。

 

有研究在以白刚玉为主要原料的刚玉浇注料体系中添加不同超微粉来研究超微粉用量与水用量、体积密度和显气孔率的关系。结果表明:超微粉用量有值,一般为5%~7%,当超微粉用量小于5%时,骨粉料间的空隙未填充满,水用量大、体积密度小、显气孔率高;当超微粉用量大于7%时,填充空隙有余,因此剩余的超微粉需用水,且不密实、所以对浇注料的致密化已无贡献。两种超微粉中活性SiO2超微粉的填充效果比α-Al2O3超微粉好,其用量也可少些。超微粉不但细度起作用,而且其形状和活性等,也起了作用,SiO2超微粉系硅灰,呈球形有活性,虽然粗些,其填充性和减水性比α-Al2O3超微粉好。

 

活性SiO2超微粉是非晶质或无定形二氧化硅,比表面积较大,表面能也较大,易吸附空气中的水发生团聚,因此应防潮且加分散剂后使用。氧化硅结构内部有毛细管道,其表面能缓慢地进行离子化,即有断键,遇水后形成硅醇基或水解,具有较强的亲水性和活性。在耐火浇注料中,由于氧化硅超微粉颗粒上有-OH基存在,有氢结合、发生絮凝的倾向,然而这种氢键结合较弱,稍加剪切力,就会再度分散,黏性降低,当解除剪切力后,SiO2微粒间又形成了凝聚,而水分子固定于SiO2凝聚体的三维网状结构的空间,黏性又发生增加。也即活性SiO2超微粉具有良好的触变性和一定的凝聚性。

 

在耐火浇注料中,黏土超微粉和氧化物超微粉如SiO2、Al2O3、Cr2O3等,在水中均能形成胶体粒子,当有分散剂存在时,粒子表面形成双电层的重叠而产生静电斥力,即克服了质点间的范德华力,降低了界面能,阻止了粒子之间的吸附絮凝;同时,粒子周围吸附了分散剂而形成溶媒层,因此也增大了浇注料的流动性。这也是超微粉作用机理之一,即掺加超微粉及适宜的分散剂,可降低耐火浇注料的水用量,提高其流动性,从而改善浇注料的性能。

 

在耐火浇注料中,掺加超微粉的作用主要表现为:增强填充性,改善施工性,从而使其流动性增大,体积密度提高,显气孔率降低。因此,耐火浇注料的强度有显著的提高,其他高温性能也有较大的改善。应当指出,超微粉的作用与外加剂是分不开的。只有选择合适的超微粉和外加剂品种,巧妙配伍,用量得当,才能发挥其的作用。

 

在耐火材料行业中,高级烧成砖或不定形耐火材料,特别是致密高强黏土结合耐火浇注料和低水泥系列耐火浇注料中,微粉和超微粉的应用越来越多,性能明显提高,成本也随之增加。因此,应从耐火浇注料的性能及其成本等方面综合考虑,选择适宜的超微粉或微粉。

 
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图注:不同耐火超微粉的和化学组份和粒度组成

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