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低水泥澆注料的硬化與強度

澆注料在常溫和高溫時要有一定的強度來滿足施工性能和使用性能,因此對其硬化機理的研究非常重要。河南耐火材料廠對此作了大量的研究,認為低水泥澆注料的硬化機理有兩種,即水化結合和凝聚結合。
由鋁酸鈣水泥水化產生結合的原因在于:鋁酸鈣水泥水化可以生成六方片狀或者針狀的十水鋁酸一鈣、八水鋁酸二鈣和立方狀的水化鋁酸鈣六水鋁酸三鈣晶體,以及鋁膠凝聚體,最后形成凝聚一結晶網而產生堅固的結合。
由凝聚產生的結合在于:靠加入能緩慢解離出與粒子表面的電荷相反的離子的電解質,使凝聚體表面吸附帶相反電荷的離子(簡稱“反粒子”)而使電位下降,當吸附達到“等電點”時,隨即發生凝聚,借助于范德華力結合在一起。
對加入二氧化硅微粒的澆注料來說,其發生凝結硬化的過程如下:當二氧化硅超細粉與水混合后,由于二氧化硅超細粉活性很高,會與水作用形成膠粒,此膠粒表面由硅醇基(Si—OH)解離成SiO+、H+而帶負電。對低水泥和超低水泥來說,此膠粒會吸附鋁酸鈣水解過程中緩慢析出的Al3+和Ca2+,使膠粒表面的℃電位下降,當吸附達到“等電點”時,即發生凝聚。對于超低水泥和無水泥澆注料來說,其凝結作用是靠水分緩慢蒸發過程中加入作為分散劑的電解質解離出的某種正離子濃度的提高,導致膠粒吸附更多的反粒子,從而使擴散層壓縮,直至℃電位為零時,再在范德華力作用下而產生的。同時反粒子的電價數也低,因此,凝結速度要慢得多,當然也可以加入一些遲效促凝劑(能夠緩慢解離出反粒子的電解質)來促進凝結和硬化。
凝結過程中,在硅氧烷網中必然會吸附Al3+、Ca2+和Na+等離子,在隨后的養護或烘烤過程中,必然會生成一些水化硫鋁酸鈣(C2ASH8)物相。另一方面,加有二氧化硅超細粉澆注料凝結后,二氧化硅表面形成的硅醇基(Si—OH)在脫水架橋形成硅氧烷網狀結構,從而發生硬化作用。硬化后形成的硅氧烷網結構中,硅與氧之間的鍵并不隨溫度升高而拆散,其結構強度隨著熱處理的溫度升高而升高。同時達到高溫時,二氧化硅網狀結構還會與其包裹的(如氧化鋁)顆粒逐漸發生反應生成莫來石。因此,低水泥、超低水泥以及無水泥澆注料。
不但烘干后的力學強度比普通澆注料高,而且經受中溫和高溫熱處理后力學強度也要高得多。不存在普通澆注料那樣的中溫力學強度下降的現象。
低水泥澆注料的強度
在上述的二氧化硅微粉硬化機理中,闡述了其低溫強度產生的原因,在此不再詳述。其中溫強度比較高,是由于它能把微粉之問形成的網狀鏈一直保持到1200℃左右的緣故。根據加入澆注料后接觸的粉體不同,它的結合機理又可分為兩類。第一類是氧化鋁的粉體,在低溫下,這些粉體吸附在由硅灰形成的網狀鏈上,具有較強的低溫強度;而到700℃,則與硅灰反應形成非化學計量化合物,直到最終達到1200℃左右,形成較大的莫來石晶體。由于莫來石的針狀交錯晶體和原網絡鏈的雙重作用,使它具有較高的中溫強度;第二類是硅灰加入后,接觸到的既無水化反應,又不與二氧化硅起其他化學反應的粉體,如碳化硅(SiC)、鋯英石(ZrSiO4)等粉體。從低溫開始直到1200℃以上,這類粉體都附著在硅灰表面水化形成的硅膠脫水聚合后的網狀鏈上,這種網狀鏈在中溫范圍內不變的形態則保證了這類澆注料或制品具有相當高的中溫冷卻強度。
高溫處理后的強度主要來自高溫燒結,生成高強度結構。微粉由于表面缺陷多,表面質點的活化和無序化,具有能態高、活性大的特點,從而可以促進燒結過程。通過剛玉澆注料得出如下結果:一是微粉填補空隙減少了氣孔,因而加入量不能太大,否則會因為堆積密度小和不能緊密堆積而導致不夠致密;二是微粉分布在顆粒邊緣,因其表面活性和質點的可動性,能在較低的溫度下與顆粒結合得較好,封閉部分貫通氣孔,從而使制品致密化,強度增加,促進燒結,這個結果只有在微粉粒度小于5mm的時候才表現得比較明顯。但是不能促進燒結,這是由于活性氧化鋁表面水化物的形成和在燒結時水化物分解時的氣體逸出破壞了制品的致密結構的緣故。
對于低水泥澆注料來說,由于它的氣孔率較低,透氣性差,在烘烤時容易發生爆裂,因此,澆注料容易發生爆裂的原因,多數資料認為是微粉的加人,堵塞了氣孔而使排氣通道不暢。但是,國外學者通過對硅微粉的研究認為,加入硅微粉后,它與鋁酸鈣水泥發生反應,形成了類似沸石的鈣鋁硅化合物,這種水化物在300℃以后才脫水,而且時間極短,會因為快速放出大量蒸汽而導致爆裂。


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