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耐火材料行業知識

金屬硅加入量達到這個比例時能增強出鐵溝澆注料的使用性能

  目前大型高爐出鐵溝耐火材料通常應用的是Al203-SiC-C質澆注料,其具有良好的高溫強度、抗沖刷性和抗渣鐵侵蝕性,使用壽命較長。Al203-SiC-C質澆注料主要包含的原料有剛玉、碳化硅、碳素材料、結合劑和抗氧化劑等其它外加劑,較大粒徑的剛玉、碳化硅等組成了材料的骨料,起到了骨架作用:較小粒徑的其他原料則組成了材料的粉料。填充進入骨料的空隙;結合劑多為鋁酸鹽水泥,將各原料緊密結合。提高了澆注料強度;抗氧化劑多為金屬硅粉或鋁粉.其與其它外加劑一起用來改善澆注料的特定性能。
  微米級粒徑金屬硅加入澆注料中后,能先于易氧化的碳素材料被氧化,形成穩定的金屬氧化物和碳化物.防止碳素材料被氧化.從而使添加的碳素材料穩定的發揮出其應有的作用。增強澆注料的使用性能。一般金屬硅在Al2O3-SiC-C澆注料中的加入量約在1%~3%之間。學者們已研究了金屬硅加入量在該區間對澆注料部分性能的影響規律,但其加入量過多必將影響澆注料的高溫強度、線變化及線膨脹系數,從而影響材料的熱震穩定性及抗渣性等。
  實   驗
  1.1原料選擇
  本實驗制備Al203-SiC-C質鐵溝澆注料的主要原料為棕剛玉顆粒(粒度為8-5、5-3、3-1、1-0mm)、97碳化硅顆粒(10mm)和細粉(≤0.044mm)、白剛玉粉(≤0.044mm)、硅微粉(≤0.074mm)、氧化鋁微粉(5μm、2μm)、金屬鋁粉(≤0.074mm)、99金屬硅(≤0.074mm)、炭黑(≤0.074mm)、70開封水泥、三聚磷酸鈉和六偏磷酸鈉。
  1.2試樣制備
  根據表1的配比進行配料,先將稱量好的粗顆粒放入攪拌機中混合均勻。再稱量其它粉料加入攪拌機干混2分鐘,隨后加入適量的水進行濕混。濕混均勻后,將攪拌機中的料加人放置在振動臺上的40mmx40mmx160mm的三聯模具內.經澆注振動成型后靜置在空氣中自然養護24h.隨后將試樣條脫模再靜置于空氣中24h養護后放入110℃的烘箱內干燥24h。然后將干燥后的試樣條在1450℃下熱處理3h,再自然冷卻至室溫。
  1.3性能測試
  依照國家相關標準,對處理好的試樣條進行各物性參數的測定,包括干燥后和熱處理后的體積密度、顯氣孔率、常溫抗折強度、常溫耐壓強度以及燒后的線變化率、彈性模量、線膨脹系數和高溫抗折強度。其中,線膨脹系數的測試方法是將試樣加工成10mm~50mm的圓柱體放入高溫膨脹儀中加熱。測量材料長度隨溫度變化而變化的狀況.表征材料的熱膨脹性;高溫抗折強度的測試方法是將干燥后的試樣條放入1400℃的高溫抗折強度測試儀中保溫1h,并于該溫度下直接測量抗折強度。
  結果與討論
  通過對Al2O3-SiC-C質澆注料的性能測定,并且從材料學的角度進行結果分析,研究金屬硅含量(1.0%~1.9%)對Al2O3-SiC-C質澆注料性能的影響規律及其內在作用機理,優化和改進目前使用的Al2O3-SiC-C質澆注料。
  2.1加水量
  隨著金屬硅含量的增加,Al2O3-SiC-C質澆注料的加水量變化不大,但略微有所增加。這是由于硅的水潤濕性一般。隨著金屬硅添加的增多.每份試樣的質量略有增加,澆注料的體積略微有所增大.制樣時要達到相同的流動性則需要更多的水來分散原料。但金屬硅增加量并不多。所以需增加的水也不多。
  2.2體積密度和顯氣孔率
  不同金屬硅加入量對材料顯氣孔率和體積密度的影響?梢钥闯,1450℃熱處理后的顯氣孔率要明顯大于110℃干燥后的顯氣孑L率,隨著硅加入量的增加,110℃干燥后的顯氣氣孔率先上升后下降,隨后又上升,最大為8.36%,1450℃熱處理后的趨勢與110℃干燥后的類似,但其變化幅度相較而言非常小,均處于11.25%左右。110干燥后試樣的體積密度則隨金屬硅加人量的變化規律與顯氣孔率基本呈相反的趨勢,1450℃熱處理后的體積密度則隨金屬硅的加入而降低,且總體上110℃干燥后的體積密度要大于1450℃熱處理后的體積密度。
  由于金屬硅的密度(2.3g/cm)比剛玉(3.8g/cm)低,加入到澆注料中后,在110℃干燥后同等體積下,減小了其體積密度,增大了氣孔率;但隨著硅加人量的增多,澆注料中的氣孑L被金屬硅大量填充,使得材料的氣孔率減小,體積密度增大;但金屬硅加入量過多后。硅在填充澆注料微小的氣孔后仍有剩余,反而不利于材料的致密性,使得其體積密度減小。氣孔率上升。而在1450℃熱處理時,會有大量玻璃相的生成,冷卻后,其固化阻塞住了表面的氣孔,使得試樣的顯氣孔率變化不明顯:燒后比燒前體積密度小、氣孔率大的原因是由于:高溫下金屬硅會被氧化成二氧化硅,再與Al2O3,反應生成莫來石,且Al2O3也會與水泥反應生成六鋁酸鈣,莫來石和六鋁酸鈣的生成會引起膨脹.導致材料體積密度的減小。且隨著硅加入量的增多,莫來石的生成也會越多,體密度也就越小。
  2.3抗折強度和耐壓強度
  處理后各試樣的抗折強度和耐壓強度變化趨勢示于圖4、圖5。110℃干燥后試樣的兩種強度隨金屬硅加入量的增多.均呈先減小后增大再減小的趨勢,基本與其體積密度變化規律相似。1450℃熱處理后的試樣強度則大致隨硅的加入量而增大,且其強度基本都大于干燥后試樣的強度。110℃干燥處理時,溫度較低,澆注料內尚未發生各種復雜的相變。其強度主要與材料的致密程度相關,所以變化趨勢跟體密度密切相關。
  1450℃熱處理時,澆注料內會發生一系列復雜的化學相變反應:
  1)硅會導致莫來石的生成,常溫下生成的莫來石晶體和晶須相互交錯穿插,形成了較堅固的結構;2)高溫下。硅會與水泥等成分反應生成長石及玻璃相等低熔點物質,這些熔融物質能填充骨料和晶體間的空隙,在凝固后增強材料的常溫強度:
  3)硅作為抗氧化劑能優先于碳被氧化,使得未氧化的碳熔化后彌散分布在材料中。形成網狀結構,為材料提供常溫強度;4)硅能起到助燒劑的作用,促進澆注料的燒結.提高其燒后強度。燒后澆注料中各材料的結合方式為陶瓷結合,該種結合方式強度較高。顯然比110℃干燥后主要是水合結合的材料強度要高.且隨著硅加入量從1.0%增加到1.9%.以上四點作用都會逐步增強,從而導致澆注料的抗折和耐壓強度都有所提升。
  2.4高溫抗折強度
  高溫抗折強度測試結果,可以明顯的看到,試樣的高溫抗折強度隨金屬硅加入量的增加而變強.在金屬硅加入量為1.9%時達到最大值3.01MPa。高溫抗折強度的變化規律與燒后常溫抗折、耐壓強度變化的規律類似,因為隨著金屬硅的加入,其在高溫下將產生更多的莫來石晶相、碳網狀結構等,都會使其高溫強度增加。高溫抗折測試時,操作溫度為1400℃。材料中的玻璃相等低熔點相尚未完全凝固.所以澆注料的強度較燒后強度而言較低。
  隨著金屬硅含量的增加,1450℃熱處理后試樣的彈性模量不斷增大,直至硅加入量為1.9%時達到最大值38.1GPa。彈性模量是用來表征物體受到應力時的應變程度,其值越大表示受到相同應力時越難發生形變,材料就越堅硬.所以試樣的彈性模量和材料的強度密切相關。高溫下產生的莫來石膨脹相量的不同會使材料內部的結構有所差異,導致彈性模量的改變:生成的玻璃相的粘滯作用也對材料的彈性模量有重要影響。
  2.6線膨脹系數和線變化率
  1450℃熱處理后1試樣和試樣線膨脹系數的變化規律見圖8。試樣的線膨脹系數在各溫度下均大于1試樣.且兩試樣最低的線膨脹系數都出現在200℃時。兩試樣在200~700℃之間線膨脹系數隨溫度上升而增加,700~750℃區間出現短暫下降,隨后,隨溫度上升,1試樣線膨脹系數呈現波動趨勢,最終變化不大,而4#試樣線膨脹系數則整體呈上升趨勢。試樣膨脹系數變大的原因是因為澆注料中生成了引起膨脹的物相,如莫來石晶須、六鋁酸鈣等,且其生成量隨溫度的升高而增加。775℃附近試樣線膨脹系數降低的主要原因可能是由于低熔點相的過度生成抵消了膨脹相的影響。線膨脹系數與試樣的抗爆裂性密切相關.其值越小.受到熱應力時產生的應變越小,材料炸裂和剝落的幾率較小。
  各試樣在進行1450℃熱處理前后永久線變化率的變化情況。隨金屬硅加入量增加,試樣的永久線變化率先減小后增大.在硅含量為1.6時達到最小值0.44%。永久線變化率都為正值,這說明試樣在燒后體積膨脹,其原因是由于莫來石和六鋁酸鈣的生成引起的膨脹,在工業應用中應當予以充分的重視和考慮。
  結   論
  1)隨著金屬硅加入量的增加,110℃干燥后的顯氣孔率先上升后下降,隨后又上升,體積密度的變化規律呈相反的趨勢;1450℃熱處理后顯氣孑L率的趨勢與110℃干燥后的類似,但其變化幅度相較而言非常小,體積密度則隨金屬硅的加入而降低;2)110℃干燥后試樣的強度隨金屬硅加入量的增多,均呈先減小后增大再減小的趨勢,基本與其體積密度變化規律相似:1450℃熱處理后的試樣強度則大致隨金屬硅的加入量而增大,且隨著莫來石、玻璃相等的生成,其強度基本都大于110℃干燥后試樣的強度;3)試樣在燒后因膨脹相的生成而引起材料膨脹,金屬硅加入量為1.9%試樣的線膨脹系數在各溫度下均大于1.0%的試樣;4)根據Al2O3-SiC-C質鐵溝澆注料的實際要求和使用工況,綜合對金屬硅加入量在1.0%~1.9%范圍內時Al2O3-SiC-C質鐵溝澆注料各方面物理性能的實驗研究分析.當金屬硅加入量為1.9%時,其具有最佳的使用性能。


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