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耐火材料行業動態

高鋁高強輕質澆注料的研制

隨著我國產業結構、宏觀政策調整,功能性高品質耐火材料的需求量會越來越大。高鋁輕質耐火材料因具有優良的熱震穩定性、力學性能,而且耐高溫、耐磨損、保溫性能優異等。在鋼鐵、化工、機械、陶瓷等行業關鍵部位使用,都顯示出比其他材料更為優越的性能。因而高檔高鋁輕質耐火材料的需求量將逐年遞增,市場前景十分廣闊。與此同時,人們對高鋁輕質澆注料制品的性能要求也越來越高。在高鋁輕質澆注料的制備過程中,簡化工藝,提高效率,降低成本的要求也日益提高。近幾年,盡管高鋁輕質澆注料制備技術已從初期的探索進入應用階段,新的制備技術不斷被提出,但是,還存在許多問題有待解決。主要有以下幾個方面:

(1)各種制備技術對高鋁輕質澆注料結構的精確控制,包括對影響孔徑分布、大小、形狀等因素做系統分析;

(2)提高多孔陶瓷的強度,合理協調強度與氣孔率之間的關系,并建立起強度與氣孔結構之間聯系的有效模型;

(3)改善多孔陶瓷的制備工藝,加強同其他制備工藝“復合”的工藝研究,制備多層梯度復合多孔陶瓷材料,促使多孔陶瓷材料向“多功能”化方向發展;

(4)理化性質的表征方法有待進一步完善。目前常用的BET、SEM壓汞法和氣體滲透實驗等仍各有不足,缺乏全面表征的本領;加強多孔陶瓷在過濾操作技術的研究,使得過濾技術在各領域作業中更安全、更可靠;

(5)與環境相容性問題的研究;

(6)解決規;、產業化中關鍵技術問題;

(7)由于多孔陶瓷的制備涉及諸如表面與膠體化學、有機化學、無機化學、生物化學、催化等眾多學科,因此要加強學科之間的交叉研究。

進入2O世紀9O年代以后,凝膠注膜成型技術由于具有高固相含量、坯體纖維結構均勻、強度高,能夠成型各種復雜形狀和易于加工等諸多優點,已經成為高性能材料研究領域的一個新熱點。傳統高鋁輕質澆注料主要是運用鋁酸鹽水泥結合劑和二氧化硅微粉等賦予材料的流動性和凝結硬化特性進行制備,這種制備方法必然在材料主成分(氧化鋁和氧化硅)體系中引入氧化鈣等雜質成分,從而降低材料的高溫力學性能和耐火性能,影響材料的適用溫度范圍和使用壽命。所以選擇將水基凝膠注膜成型高鋁輕質澆注料產品作為研究開發方向。

2.技術原理

采用主要原料如下:納米SiO2(硅灰)、礬土微粉和聚苯乙烯球;本試驗有機單體選用丙烯酰胺,交聯劑選用N,N一亞甲基雙丙烯酰胺,分散劑選用檸檬酸三銨,引發劑為過硫酸銨,催化劑為N,N,N’,N’—四甲基乙二胺,采用氨水和鹽酸調節漿料pH值。

制備工藝如下:將硅灰和礬土微粉按照莫來時的理論配比進行配料并混合均勻,制成混合粉體;將有機試劑按照最佳的比例加入到水中,制成水溶液;將混合粉體加入到水溶液中,攪拌均勻后,澆注到試模中,待試樣凝固并干燥后,放入高溫爐中燒成即可。

研究手段包括:

①應用DLVO理論及擴展的DLVO理論(EDLVO理論)研究了SiO2納米粉同類顆粒之間及SiO2納米粉一礬土微粉異類顆粒間相互作用能;對同類及異類顆粒間的分散過程進行了量化分析;

②懸浮體特性測量:pH值測量;沉降實驗;黏度測量;

③坯體性能表征:強度測量;綜合熱分析;

④燒結試樣組成與結構分析:密度、強度、熱導率測定;X射線衍射分析;SEM觀察。

得出的主要結論是:用調整PH的方法實現SiO2納米粉、納米SiO2與礬土微粉混合懸浮液分散的難度較大;分散劑檸檬酸三銨的加入明顯地改變了納米SiO2的范德華作用能、靜電排斥能和空間位阻排斥能,使得總排斥勢能大幅度增加,這直接導致懸浮液體系的分散穩定性得到顯著提高;并且加入分散劑的體系,顆粒間作用幾乎不受外界因素的影響(pH)。燒后試樣的性能測定分析表明試樣的A12O3+SiO2總含量大于93%,TiO22.98%,體積密度為1.159cm3的試樣耐壓強度23Mpa,熱導率(平均溫度349.9)0.47W,m·k,體積密度0.589cm3的試樣耐壓強度8.8Mpa,熱導率(平均溫度349.9)0.22Wm·k,與同樣材質、體積密度相同的國內先進水平相比具有強度高、熱導率小、純度高等優點,具有良好的應用開發前景。試樣中氣孔大小主要分布在三個階段:0.2lmm、24微米和270nm,這樣多級孔洞緊密級配的結果,是材料獲得體積密度小、導熱系數低、隔熱效果好的主要原因。

3.鑒定及應用

3.1技術鑒定

河南省科技廳于20061217日組織有關專家在鄭州市對“高鋁高強輕質澆注料的研制”項目進行成果鑒定。鑒定委員會認真審閱了提交的鑒定材料,聽取了匯報,進行了質疑和討論,形成鑒定意見如下:

(1)所提供的鑒定資料齊全,數據可靠,符合鑒定要求,完成了河南省2006年重點科技攻關計劃項目(編號0623022700)的任務。

(2)該項目采用天然礬土為主要原料,利用凝膠注模技術,通過研究粉體的分散條件、懸浮液的流變性能以及凝膠固化工藝等,分析了凝膠固化機理和隔熱機理,研制出了A12O3+SiO2總含量達93%的高鋁高強輕質澆注料。該澆注料具有體積密度低、耐壓強度高、熱導率小、施工方便等特點。將凝膠注模工藝應用于輕質耐火澆注料生產屬國內首創,該項技術成果屬國內領先水平。

(3)所研制的耐火澆注料經國家耐火材料質量監督檢驗中心檢測,各項指標符合企業標準QHYY012006的要求。

(4)該產品工藝成熟,技術可靠,質量穩定,已批量生產,經在軋鋼加熱爐、高溫電爐上使用,效果良好,滿足了使用要求,經濟效益和社會效益顯著。

(5)建議針對不同使用條件開發系列產品,并盡快推廣使用,以滿足市場需要。

3.2技術應用

與其他多孔材料相比,高鋁輕質澆注料具有以下優良性能:高度開口、內連的氣孔、曲折的流程、大的比表面積、室溫及變化溫度下的高強度、低密度、良好的抗熱沖擊性、耐高溫、耐化學腐蝕、良好的過濾吸附性能、可作催化劑載體、微生物的固定、反滲透膜特性、微細發泡等。高鋁輕質澆注料的性能是由微孔的化學表面特性和微孔的尺寸特性決定的。決定微孔表面化學特性的因素有陶瓷的組成、狀態和微孔表面的處理。微孔的特性尺寸中,微孔直徑、分布、形式、比表面積等對其過濾、分離、隔熱性能有很大的影響。不同工藝制備的高鋁輕質澆注料其性能有所不同,不同的性能又決定了不同的應用方向。例如:利用高鋁輕質澆注料的均勻性,可以制作各種過濾器、分離裝置、流體分布元件、混合元件、滲出元件和節流元件等;利用高鋁輕質澆注料吸收能量的性能,可以用做各種吸聲材料、減震材料等;利用高鋁輕質澆注料發達的比表面積,可以制成各種多孔電極、催化劑載體、熱交換器、氣體傳感器等;高鋁輕質澆注料密度低、隔熱性能好,是優異的保溫材料,尤其是在高溫下表現出較低的導熱系數,可廣泛應用于多種窯爐、高溫部位的保溫層以及高溫區的工作層,由于其自身具有短時耐超高溫特性,所以在航天工業中有潛在的應用價值。





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