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耐火材料行業知識

鋁酸鹽水泥耐火澆注料

  鋁酸鹽水泥耐火澆注料的品種較多,配合比不同,性能各異,施工制作方法和養護制度也不同,但影響性能的因素,基本是類同的。
  一、水泥用量
  水泥是耐火澆注料的重要組分之一,是決定強度的重要材料,也影響其他性能。水泥品種及其用量的不同,對性能的影響也有差別。
  CA-50水泥高鋁質耐火澆注料的水泥用量,對其性能影響見表1。耐火骨料和粉料均為二級礬土熟料,其骨料與粉料和水泥之比為70:30,外加水量為10%。從表中看出,隨著水泥用量的增加,常溫耐壓強度提高,1200℃燒后耐壓強度比烘干耐壓強度降低40%~65%,耐火度和荷重軟化溫度不斷降低,而燒后線收縮也隨之增大。這是由于CA-50水泥雜質含量高,耐火度低,用量增加時,其澆注料加熱過程中的液相量多,致使性能下降。因此,在保證常溫強度的條件下,應盡量減少CA-50水泥用量,以提高耐火澆注料的高溫性能。當減少水泥用量后,應適當增加耐火粉料,使水泥和粉料的合量能夠充分地包裹住耐火骨料,并使耐火澆注料能夠獲得最大的密實度。常用水泥用量為10%~15%。
  二、水用量
  鋁酸鹽水泥品種不同,配制的耐火澆注料也不同。同一種水泥,也能配制成多品種的耐火澆注料。在耐火澆注料配合比和工藝條件相同時,其水用量對耐火澆注料性能影響規律是基本相同的。耐火骨料和粉料均為二級礬土熟料,骨料為<15mm的統料70%,粉料和水泥各為15%。成型初凝后潮濕養護1d拆模,然后進行標準養護23檢驗各種性能。澆注料隨著水用量的增加,各種性能普遍有較大的下降:常溫耐壓強度降低27%~35%,烘干耐壓強度降低到19.1MPa,燒后耐壓強度降低約為40%,高溫耐壓強度降低57%左右;荷重軟化溫度由14001降至12501,燒后線變化由-0.38%降為-0.96%,顯氣孔率由19%增至23%,體積密度由2.29g/cm3降至2.17g/cm3。這就是說,配制鋁酸鹽水泥耐火澆注料時,水用量(或水灰比)的選用十分重要。當水用量多時,加熱后,水分逸出,孔隙增多,結構疏松,致使各種性能全面降低。因此,在保證其施工和易性的條件下,應盡量減少拌和物的水用量。在不摻減水劑的前提下,鋁酸鹽水泥耐火澆注料的適宜水用量為10%~13%。
  應當指出,在耐火澆注料配合比和制作工藝基本相同時,其水用量有個最佳值,如表2中,水用量11%為最好,與其他水用量比,全面性能最優。所以,鋁酸鹽水泥耐火澆注料施工制作時,應先試拌和,選擇最佳流動度,比較常溫強度的大小,確定最佳的水用量,而后方可生產制作和施工。
  三、耐火粉料
  鋁酸鹽水泥耐火澆注料一般均摻加適宜的耐火粉料,其作用:(1)減少水泥用量,能降低成本且提高使用溫度;(2)耐火粉料能起瘠化作用,高溫下又能參與反應而形成耐高溫礦物,提高耐火性能;(3)耐火氧化物超微粉的摻加,能降低水用量,高溫下形成耐高溫礦物或增強燒結性,故能提高澆注料的性能。耐火粉料的品種、細度及其用量,是影響澆注料性能的重要因素。
  在CA-50水泥耐火澆注料配合比相同時,分別用二級礬土熟料和電熔剛玉作耐火粉料,后者比前者的荷重軟化溫度提高100~200℃,1600℃的燒后線變化由收縮轉為膨脹,使用溫度能提高100℃左右。
  一般來說,耐火粉料越細,耐火澆注料性能越好;當采用超微粉代替部分耐火粉料時,其體積密度增加,顯氣孔率降低,強度顯著提高。
  耐火粉料用量有個最佳值;即15%-18%時,體積密度比較大,常溫和1350℃燒后耐壓強度較好。當耐火粉料用量少時,與水泥的合量,不足以包裹住耐火骨料,致使組織結構不緊密,所以性能降低;當耐火粉料用量多時,與水泥的合量,包裹耐火骨料有余,致使水用量增多,高溫燒結收縮大,故性能也降低。
  四、耐火骨料
  耐火骨料是耐火澆注料的重要組分之一,其品種、品級、最大粒徑及顆粒級配等,是影響性能的主要因素。
  耐火骨料品級、雜質含量和燒結優劣等,也影響其性能。例如,當用礬土熟料作耐火骨料時,隨著Al2O3含量增加,即品級提高,澆注料的耐火度和荷重軟化溫度提高,燒后線變化減小;當該料欠燒或雜質含量多時,其耐火度和荷重軟化溫度降低,燒后線收縮大。因此,應根據鋁酸鹽水泥品種,選擇燒結良好、純度高的適宜耐火骨料,方可配成高性能的耐火澆注料。
  20%的CA-60水泥作結合劑,拌和物流動度相同,即水用量不同。從表中看出,編號1和編號2的骨料顆粒級配較好,因此水用量少,體積密度大,顯氣孔率小,常溫和燒后耐壓強度較高;當細骨料較多時,如編號4,其顆粒表面積增加,需要較多的水泥和粉料,方能包裹住骨料且骨料間不密實,致使水用量增多,耐火澆注料性能有所降低。
  耐火骨料顆粒級配一般是三級級配,兩頭大中間小,砂率為0.45~0.55。配制優良的耐火澆注料,應采用多級級配;使用溫度低且不重要的部位,耐火骨料允許用自然級配顆粒即統料。在生產耐火骨料統料時,也應控制大、中、小顆粒間的比例,防止過大的顆粒發生偏析,以便配制成質量好的耐火澆注料。
  五、外加劑
  鋁酸鹽水泥耐火澆注料常用的外加劑,一般分為減水劑(塑化劑)、促凝劑和緩凝劑,另外還摻加燒結劑和膨脹劑。燒結劑有軟質黏土、鋰輝石、膨潤土和金屬硅等,目的是提高耐火澆注料的中溫強度;膨脹劑有藍晶石、硅線石和硅石等,在高溫下產生膨脹以補償澆注料的收縮,提高其使用性能;促凝劑有NaOH、Na2CO3、三乙醇胺、硅酸鈉、鋰鹽和硅酸鹽水泥等,一般在特殊情況下使用。例如,配制噴涂料時,采用CA-50水泥70%和硅酸鹽水泥30'混合成復合結合劑,當料達到受噴面時能較快凝結硬化;緩凝劑有NaCKAlCk硼酸、羧甲基纖維素、葡萄糖酸鈉、異丙醇和木質素磺酸鹽等,多數減水劑也有緩凝效應。例如CA-50水泥耐火澆注料摻加0.1%的AlCl3,凝結時間由4h延至6個多小時,1天耐壓強度由50MPa提高至56MPa;減水劑是應用最多的外加劑,也稱為表面活化劑,主要有:亞甲基二萘磺酸鈉(牌號NNO)、β-萘磺酸鹽甲醛縮合物(牌號JN、NF……)、聚亞甲基磺酸鈉聚合物(牌號MF)、木質素磺酸鹽(分為M型、木鈣和木鈉等)、磺化焦油類、烷基磺酸鈉、磺化三聚氰胺甲醛縮合物(即蜜膠樹脂)、鹽酸羥胺,尿素、羥基羧酸及其鹽類(包括酒石酸、檸檬酸和葡萄糖酸及其鈉鹽等)、碳酸氫鈉、硼酸、三聚磷酸鈉和六偏磷酸鈉等,其用量占水泥質量的0.005%~1.0%。
  眾所周知,鋁酸鹽水泥耐火澆注料加水拌和時,水泥顆粒間形成一種絮凝構造,拌和水的一部分形成水膜,另一部分則被水膜包圍的游離水,不起改善漿體流動性的作用。為了提高澆注料的流動性,必須增加水用量,從而降低其性能。當摻加減水劑后,減水劑的疏水基團定向的吸附于水泥質點表面,親水基團指向水溶液,組成了單分子或多分子吸附膜。由于減水劑分子的定向吸附,使水泥質點表面上帶有相同符號的電荷,在電性斥力的作用下,使水泥顆粒間的絮凝構造分散解體,釋放出游離水,起到了減水作用。同時,減水劑能濕潤和潤滑水泥顆粒,便于流動,也可減少水用量?傊,減水劑能分散、濕潤和潤滑水泥顆粒,達到減水增強的目的,其本身一般不參與反應,也不能提高澆注料的強度。
  一、二級礬土熟料混合粉:一級黏土熟料骨料=15:15:70;酒石酸或檸檬酸與碳酸氫鈉組成復合減水劑(稱為CB型),再加占水泥質量0.1%~0.05%的木鈣減水劑(則稱CBM型),表中二者用量為總料質量的百分比;TNH為水溶性蜜胺樹脂。這幾種減水劑是用于電熔鋁酸鹽水泥剛玉質耐火澆注料的。從表中看出,摻加極少量減水劑,其減水率為10%~39%,對于CA-50水泥耐火澆注料常溫3d和10007燒后耐壓強度分別提高7%~22%和24%~47%;對于電熔鋁酸鹽水泥剛玉質耐火澆注料常溫1d和1000℃燒后耐壓強度,則分別提高52%~65%和61%~75%。這就是說,復合減水劑的使用效果比單一減水劑好,總的看,均具有減水增強的作用。
  試驗表明,在鋁酸鹽水泥耐火澆注料中,摻加MF、木鈉、烷基磺酸等,有較好的減水效果,但緩凝較重,影響早期強度;當單獨用酒石酸、檸檬酸和三聚磷酸鈉等,泌水較大,能提高澆注料的密實性,但減水效果不大。因此,減水劑應復合使用最好。
    減水劑有個最佳值,磺化洗油的適宜用量為0.5%~2.0%,JF的為0.225%~0.300%,此時各種性能有較大提高。
  CA-70水泥耐火澆注料的配合比:小于7mm的黏土熟料60%,Al2O3為75%的礬土熟料粉25%,軟質黏土粉3%和CA-70水泥12。不加減水劑時,澆注料的水用量為11.5%;摻加NNO、MF、三聚磷酸鈉和檸檬酸鈉減水劑后,均有減水效果,前兩種比后兩種的效果更明顯,減水率可達20%以上。
  同時,隨著減水劑用量的增加,減水率有個最佳值;從烘干抗折強度上看,減水劑用量也有個最佳值。從CA-70水泥耐火澆注料的綜合性能上看,減水劑的最佳用量:NNO為0.5%;MF、棕檬酸鈉和三聚磷酸鈉為0.2%。當減水劑用量多時,不但不起減水作用,反而降低其性能。
  應當指出,耐火澆注料用的鋁酸鹽水泥品種不同,選擇的外加劑及其用量也有所區別,一般應試驗確定;在保證鋁酸鹽水泥耐火澆注料原有性能的前提下,摻加減水劑后可適當降低鋁酸鹽水泥用量,即能節約水泥。這樣可降低耐火澆注料的成本,因低熔點物質帶入的較少,故能提高使用性能。
  六養護制度
  養護制度分為標準養護、自然養護、潮濕養護、蒸汽養護、水中養護和干燥養護等。標準養護是在溫度(20±3)℃和濕度大于90%的條件下養護。鋁酸鹽水泥耐火澆注料成型初凝后,置于何種養護制度下養護,十分重要。
  鋁酸鹽水泥耐火澆注料初凝后,隨著養護制度的不同,常溫和烘干耐壓強度也不同,這是由于水泥的水化產物和晶型轉變不同所致。在一般情況下,由于水泥遇水后產生的水化熱在2~3h內較為集中,可達80%左右,強度上升很快,因此1天常溫強度較高,3天常溫強度增長不多。潮濕養護和蒸汽養護時,烘干強度較好。
  應當指出,鋁酸鹽水泥耐火澆注料選材合理、配合比得當,可在任何養護制度下養護,均能獲得較好的性能。經過烘干后,水化產物一般轉變為C3AH6和AH3晶體,因此強度也基本相似。在生產施工中,因各種因素影響,同時防止早期失水產生碳化而使澆注料表面疏松,所以鋁酸鹽水泥耐火澆注料成型初凝后,應在潮濕淋水環境中養護,環境溫度15-25℃,養護時間2~3d。


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