硅灰對耐火澆注料性能的影響

摘要:本文主要論述了硅灰的性能及作用機理，討論了硅灰和α-Al2O3微粉對耐火澆注料加水量、成型性能、強度和抗渣性能的影響。結果表明：（1）兩種微粉配合使用，材料性能較好；（2）單獨使用一種微粉時，硅灰效果優于α-Al2O3微粉；（3）當α-Al2O3微粉用量一定時，增大硅灰，水用量顯著降低；（4）本試驗條件下，超微粉適宜用量：硅灰 6%，α-Al2O3微粉 2%，此時加水量、成型性能、強度和抗渣性能最優。
1. 前言
　　在研制開發新產品的過程當中，作者遇到了超微粉的使用問題。
　　超微粉對耐火材料性能的影響非常大，是配制低水泥系列澆注料的技術關鍵。超微粉的品種選擇是否得當，其用量是否適宜，直接關系到耐火澆注料的使用效果。為此本文詳細論述了超微粉的作用機理及其對耐火澆注料性能的影響，最終為新產品開發選取了超微粉的最佳用量。
　　眾所周知，傳統水泥耐火澆注料，由于水泥用量較高，能夠獲 得足夠的常溫強度。但是，中溫時水泥的晶型轉變會使強度顯著降低；且水泥會帶入3~10%的CaO，與料中的SiO2和α-Al2O3反應，生成低熔點的鈣長石（CAS2）或鈣鋁黃長石（C2AS），從而導致了材料高溫強度和抗侵蝕性的降低。而超微粉和高效外加劑的引入，則可以大大改善這種狀況。能夠配制出性能優良的低水泥、超低水泥和無水泥澆注料。該類材料觸變性較好，中溫強度不下降，性能優良，已廣泛應用于冶金、建材、石化、電力等各個領域，獲得了良好的使用效果。
2．超微粉的性能及作用機理
2.1超微粉的性能 
　　超微粉技術是低水泥系列耐火澆注料的關鍵技術，通常以5μm作為分界線，≤5μm 的粉料稱為超微粉，>5μm的粉料叫做微粉。 超微粉和微粉品種較多，其中最常用的是硅灰和α-Al2O3微粉。
　　硅灰又稱活性SiO2、微SiO2，是生產金屬硅或鐵合金的副產品，呈中空球狀，有活性。摻加硅灰的澆注料凝結后，SiO2表面形成的硅醇基（—Si—OH），經干燥脫水架橋，形成了硅氧烷[—Si—O—Si—]網狀結構，從而發生了硬化。在硅氧烷網狀結構中，硅與氧之間的鍵，隨著溫度的升高而不斷裂，因此強度也逐漸提高。在高溫下硅灰還與α-Al2O3反應，逐步形成莫來石化，產生體積效應，抵消耐火澆注料的部分體積收縮，這有利于強度的提高。
　　α-Al2O3微粉系用工業氧化鋁煅燒后制成的。其特點是分散性好，顆粒小，高溫下易于燒結且體積效應小。
2.2　超微粉作用機理
　　超微粉作用機理非常復雜，但基本機理是填充和潤滑。超微粉填充骨料與粉料間的空隙，使水用量降低；成型體排除水分后，留下的孔洞也較少，這樣就可以提高體積密度和降低顯氣孔率，從而改善材料的結構強度，優化材料性能。另外，超微粉粒子表面能吸附分散劑而形成水膜層，提高了潤滑作用，加大了流動性，也可以優化材料性能。
3. 試驗
3.1 原料 
表1. 主要原料理化指標
                 Al2O3 SiO2 Fe2O3 Na2O CaO 燒失
特 級 礬 土 87.57 — 1.32 0.069 — —
硅  灰           1.48 91.54 — — — 2.46
α-Al2O3微粉 99.78 0.06 0.04 — — 0.04
純鋁酸鈣水泥 71.0 — — — 18.0 —
3.2　基本配方
表2.基本配方 
   a b c
特級礬土 75 75 72
粉 料A+B 19 19 19
純鋁酸鈣水泥 2 2 2
硅   灰 4 0 5
α-Al2O3微粉 0 4 2
分 散 劑 0.2 0.2 0.2

3.3　制樣及樣塊熱處理方式
a． 40×40×160mm 　用于測量強度及線變化
　　該試塊振動成型后，在室溫下自然養護24h后脫模，測定110℃×24h，1100℃×3h，1400℃×3h熱處理后試樣的體積密度、線變化率、抗折強度和耐壓強度。
b． 70×70×70mm坩堝 其上預留φ30×30mm圓孔，用于做抗渣
試驗
該試塊振動成型后，在室溫下自然養護24h后脫模，經110℃×24h烘干處理后，于每個試塊的預留圓孔中放入25g渣樣（粒度≤3mm），進行1500℃×3h熱處理，待試樣自然冷卻后，將試塊沿圓孔中心線縱向剖開，測量侵蝕深度，以評價抗渣性的優劣。
3.4　試驗方法
（1） 依照上述基本配方a，保持硅灰4%不變，逐量摻加α-Al2O3微粉：0、2、4、6、8???，同時降低特級礬土粉用量，以保持粉料總量不變；
（2） 依照上述基本配方b，保持α-Al2O3微粉4%不變，逐量摻加硅灰：0、2、4、6、8???，同時降低特級礬土粉用量，以保持粉料總量不變；
（3） 依照上述基本配方c，α-Al2O3微粉總量保持2%不變，詳見P7表3.配方，作了6組試驗；
（4） 依照基本配方a及b ，分別成型抗渣試塊。
4.　測試結果及討論
4.1　微粉摻量對加水量及成型性能的影響
（1） α-Al2O3微粉保持一定量不變，隨硅灰摻量增加，用水量呈下降趨勢
（2） 硅灰保持一定量不變，隨α-Al2O3微粉摻量增加，用水量變化不大，即α-Al2O3微粉對材料的成型性能影響不大
 （3） 當僅用硅灰4%，不摻加α-Al2O3微粉，加水量6%；當僅用 α-Al2O3微粉4%，不摻加硅灰，加水量9%；可見，硅灰的填充效果及減水性均好于α-Al2O3微粉。
（4） 超微粉的填充效果不僅取決于它的細度，還與微粉的形狀及活性有關。硅灰呈中空球狀有活性，其作用優于α-Al2O3微粉。
（5）超微粉用量有個最佳值 超微粉用量過少時，骨粉料間的空隙未填充滿，水用量過大，體積密度小，顯氣孔率高；當超微粉用量過高時，填充空隙有余，剩余的超微粉需用水，且不密實，顯氣孔率也無變化；超微粉用量適宜時，摻加的超微粉將全部填充到澆注料的孔隙中而無不足或剩余，致使包覆的游離水釋放出來，潤濕顆粒的表面，使之具有良好的觸變性。在澆注料振動成型時，由于內粘滯阻力和屈服應力的值較小，球型超微粉的運動摩擦力也小，因此澆注料具有良好的流動性。
（6）硅灰的減水性能等雖然優于α-Al2O3微粉，但由上可知，兩種微粉配合使用效果更好。在本試驗中硅灰加入量6%，α-Al2O3微粉加入量2%，為最佳。
4.2 超微粉用量對強度的影響
（1）硅灰用量對強度的影響
α-Al2O3微粉摻量保持不變，隨硅灰用量增加，烘干耐壓強度顯著提高
 （2）α-Al2O3微粉用量對強度的影響
硅灰摻量保持不變，隨α-Al2O3微粉用量增加，烘干耐壓強度呈下降趨勢

（3）當不加硅灰，只加α-Al2O3微粉4%，烘干耐壓強度為9.8Mpa；當不加α-Al2O3微粉，只加硅灰4%，烘干耐壓強度為27.4Mpa；可見，單獨使用硅灰的效果優于單獨使用α-Al2O3微粉的效果。
（4）兩種微粉配合使用時，其用量有一個最佳值。應根據耐火骨料、粉料、水泥的品種、品級和用量，合理選擇超微粉的品種及確定適當用量。同時，應注意選取相應的外加劑。
 
4.3 α-Al2O3微粉細度對材料性能的影響
（1） 烘后強度以第②組最高，第⑤組次之；燒后強度以第⑤組最高，第②組次之。
（2） 第⑤組，即不同細度的α-Al2O3微粉復合使用，強度較高；如果只用一種α-Al2O3微粉，可參照第②組采用細度為5μm的中細度粉。
表3. α-Al2O3微粉細度對材料性能的影響 
編   號 ①  ②  ③  ④  ⑤  ⑥ 
基本配方 c c c c c c
α-Al2O3微粉 （%） 細 2 0 0 1 1 0
中 0 2 0 1 0 1
粗 0 0 2 0 1 1
耐壓強度 （Mpa） 110℃×24h 51.6 57.2 48.4 52.4 57.6 50.2
1400℃×3h 29.6 27.6 28 20.8 34.8 20.0
抗折強度 （Mpa） 110℃×24h 8.19 9.47 4.68 4.09 6.66 4.68
1400℃×3h 1.63 5.15 2.22 3.98 5.85 1.76
注：細——細度為2μm的α-Al2O3微粉   
中——細度為5μm的α-Al2O3微粉
粗——細度為800目的α-Al2O3微粉

4.4 超微粉對材料抗渣性能的影響
（1） 如果材料致密度較高，顯氣孔率較低，熔渣便不易滲入到耐火
材料內部，其抗渣性能相應也會優良一些。我們知道，在配制低水泥系列澆注料時，只要超微粉使用得當，便可配制出相對致密的澆注料，可以提高其抗渣侵蝕性。因此，由基礎配方a及b，做了若干組試驗，以觀察其對抗渣性的影響。
（2） 由試驗可知，如果超微粉用量過高，會增加材料中游離石英的
含量，致使其渣滲透深度顯著增大，即導致了材料抗渣性的下降。
（3） 如果超微粉用量適宜（在本試驗條件下，6~10%左右），材料
抗渣性最好。
5. 結論
（1） 兩種微粉配合使用，材料性能較好；
（2） 單獨使用一種微粉時，硅灰效果優于α-Al2O3微粉；
（3） 當α-Al2O3微粉用量一定時，增大硅灰，水用量顯著降低。
（4）本試驗條件下，超微粉適宜用量：硅灰 6%，α-Al2O3微粉 2%，此時加水量、成型性能、強度和抗渣性能最優。