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铝酸钙水泥结合浇注料

作者:admin 发布日期: 2020-01-06 二维码分享

由耐火集料、结合剂和外加剂组成的混合料,加水(或液状结合剂)调和成可用浇注法施工的泥料称为耐火浇注料。与其他不定形耐火材料的区别在于:耐火浇注料施工后具有一定的凝结和硬化时间,因此浇注成型需经过一定时间的养护方可脱模,之后再经过适当时间的自然养护即可投入烘烤使用。
但是,耐火浇注料本身按其作业性能又可分为振动浇注料和自流浇注料。振动浇注料是一类触变性泥料,是具有一定的屈服值的宾汉体泥料。施工时需施加外力(振动力)以克服屈服应力方可使泥料产生流动而充填模型,因此也可称为触变性浇注料。而自流浇注料是一类屈服值很小的宾汉体泥料,施工时无需施加外力(振动力),依靠自重和位能差即能流动,并自动充填模型和自动摊平的泥料,此类浇注料便于采用泥浆泵,通过橡胶软管泵送进行施工,因此也可称为泵灌浇注料。同时此类浇注料也可在泵送管道的出口处安装喷嘴,在喷嘴处加入闪速絮凝剂,进行喷射施工,这种浇注料也称为喷射浇注料。
耐火浇注料按其所采用的集料(骨料和粉料)的体积密度不同,可分为重质(致密)浇注料,体积密度一般大于2.0g/cm3;中重质浇注料,体积密度1.0~2.0g/cm3;轻质浇注料,体积密度0.4~1.0g/cm3.
按所采用的结合剂的性质与结合机理不同,可分为水化结合浇注料,如铝酸钙水泥、硅酸盐水泥结合浇注料;化学结合浇注料,如磷酸盐,钠、钾硅酸盐结合的浇注料;凝聚结合浇注料,如SiO2、Al2O3等微粉结合的浇注料;水化-凝聚结合的浇注料,如铝酸钙水泥加SiO2微粉结合的浇注料。
按所用集料的化学成分和性质不同,可分为黏土质、高铝质、硅质、镁质(碱性)、铝镁质、镁铬质、镁锆质、碳化硅质等浇注料。按集料的主晶相成分又可分为莫来石质、刚玉质、锆刚玉质、锆莫来石质等浇注料还有按氧化物与非氧化物复合名称而命名的浇注料,如Al2O3-SiC质、Al2O3-SiC-C质、钢纤维增强浇注料等。但一般为了确切表明浇注料的性质,是以所采用结合剂名称和主体集料的名称结合在一起而命名的,如铝酸钙水泥结合刚玉质浇注料,磷酸盐结合高铝质浇注料等。
耐火浇注料的制备工艺比较简单,它是将按一定粒度级配的骨料和粉料、结合剂和外加剂拌合在一起,使用时加水调和成具有一定触变性或自流性的泥料,之后即可进行浇注施工。但对作业性能要求不同,其耐火集料的粒度组成也有所差异。按Andreassen粒度分布方程(CPFT/100=(D/DL)q),振动浇注料的粒度分布系数q值可以取大些,一般为q=0.26~0.35。而自流浇注料的q值应取0.21~0.26之间,这是因为振动浇注料是靠外力作用使浇注料内的骨料颗粒产生紧密堆积,堆积之后的颗粒间隙由基质(粉料-水悬浮液)来充填,因此q值可以大些,即骨料比例可以适当多些。而自流浇注料是靠基质的自流性在位势差的作用下产生流动而充填模型,骨料是埋在基质中,靠基质来拖动骨料产生流动,骨料颗粒间不能紧密接触,否则流动阻力大而难产生自流,因此q值要小些,即骨料比例相应要小些。一般情况下自流料的粒度组成大于1mm35%~40%、1~0.045mm15%~30%,小于0.045mm35%~40%。
以铝酸钙水泥为结合剂,与具有一定颗粒级配的耐火集料和外加剂配制成的可浇注成型的混合料称为铝酸钙水泥结合浇注料。此混合料经加水拌和、振动浇注成型(或自流成型)、养护和烘烤后即可直接投入使用。此类材料既可以在工业炉上直接浇注成整体内衬,也可预制成砌块砌筑于工业炉内使用。根据工业炉使用条件,可选用不同纯度与等级的铝酸钙水泥与相适应的耐火集料来配制此类浇注料。
制备铝酸钙水泥结合的浇注料所用的铝酸钙水泥有两类:一类为普通铝酸钙水泥,是用天然高铝矾土与石灰石原料,按一定比例配合、经磨细、成球、煅烧而制成,其化学成分为w(Al2O3)53%~66%,w(CaO)24%~37%;另一类为纯铝酸钙水泥,是用工业氧化铝与石灰石为原料按一定比例配制,经煅烧或电熔而制成的,其化学成分为w(Al2O3)71%~80%,w(CaO)18%~26%。此两类铝酸钙水泥的化学成分和相组成见表17-1.表17-2为普通铝酸钙水泥的标号与其物理性能。


铝酸钙水泥水化时生成的水化物是随养护温度不同而异。在21℃以下养护时生成的水化物主要是CaO·Al2O3·10H2O(CAH10)和铝胶(AH3),在21~35℃之间主要是2CaO·Al2O3·8H2O(C2AH8),和铝胶(AH3),在35℃以上时,主要是生成3CaO·Al2O3·6H2O(C3AH6)和铝胶(AH3),其反应如下:



在常温下,只有C3AH6是稳定水化物,CAH10和C2AH8均为亚稳定水化物、随着时间延长或温度升高,它们均会转化为C3AH6,这种转化会引起所结合的浇注料强度下降。其原因是:
(1)CAH10和C2AH8为六方针状或片状水化物,而C3AH6为立方粒状水化物,C3AH6结合强度不如CAH10和C2AH8;
(2)CAH10、C2AH8和C3AH6的真密度g/cm3分别为1.72/1.95和2.53,因此由CAH10和C2AH8转化为C3AH6时胶结物相中空隙率增大,胶结物的结合面积下降,而导致强度下降;
(3)氧化铝凝胶(Al2O3,aq)转化为结晶相时,也会出现真密度增大,所结合的浇注料空隙率增大,而使结合强度下降。
养护温度对铝酸钙水泥结合的浇注料强度影响如图17-7所示。通常在20℃左右养护可获得较高的强度,低于此温度下水化不完全,强度很难达到.高值,高于此温度时(如30℃),达到.高值后会出现强度倒退现象,其原因在于水化初期生成的CaO·Al2O3·10H2O或2CaO·Al2O3·8H2O会逐渐转化成3CaO·Al2O3·6H2O所致。铝酸钙水泥结合浇注料成型后一般经过1~3h就可达到初凝,6~8h后达到终凝,强度增长较快,养护1d可达到极限强度的60%~80%,3d可达到85%~95%,7d后基本达到极限强度,见图17-7.



铝酸钙水化物加热过程中会发生如图17-8所示的相变,也即会发生水化物脱水和分解而使水合键破坏,同时由低密度水化物转化成高密度新物相时,摩尔体积缩小,空隙率增大,因此经中温加热处理后的铝酸钙水泥结合的浇注料强度会出现明显的下降。只有加热到高温大于1250℃时材料基质发生烧结,产生陶瓷结合后,冷态强度才会重新增大。



用黏土质、高铝质耐火集料配制浇注料时,一般采用普通铝酸钙水泥作结合剂,而用莫来石质、刚玉质耐火集料配制浇注料时,一般采用纯铝酸钙水泥作结合剂。浇注料的粒度组成可按Andreassen方程,取粒度分布系数q=0.26~0.35.浇注料的铝酸钙水泥加入量一般为10%~15%(质量比)。在这类浇注料中也可用氧化硅微粉取代部分铝酸钙水泥,配制成高强度耐磨浇注料。分散剂一般采用聚磷酸盐、柠檬酸盐或聚丙烯酸盐等。普通铝酸钙水泥结合的黏土质和高铝质浇注料的典型理化性能如表17-3所列。




用纯铝酸钙水泥作结合剂时,一般用烧结或电熔刚玉作为集料。这类浇注料的粒度组成和水泥加入量与普通铝酸钙水泥结合浇注料相似,但选用的纯铝酸钙水泥等级要根据使用条件来确定,一般多数采用CA-70级或者CA-75级水泥,因为这两级水泥中的快凝物相CA和慢凝物相CA2比例适中,凝结与硬化速度适当,性能比较稳定。用CA-70级水泥作结合剂配制成的刚玉质浇注料,在常温下养护3d后的耐压强度为40~50MPa;110℃,24h烘烤后的体积密度为3.0~3.2g/cm3;气孔率为18%~20%;耐压强度为60~80MPa;线变化率为0%;1500℃,3h烧后的体积密度为2.9~3.05g/cm3;气孔率为17%~19%;耐压强度为60~80MPa;线变化率为+0.5%,其线变化率为正的,主要是水泥中的CaO与基质Al2O3反应生成六铝酸钙,产生微膨胀所致。
在不定形耐火材料中,铝酸钙水泥结合的浇注料使用范围.广。黏土质浇注料的使用温度为1300~1450℃,一般用于作轧钢加热炉,各种热处理炉、锅炉、竖窑和回转窑预热带等的内衬。高铝质浇注料的使用温度为1400~1550℃,可用作各种热处理炉内衬和烧嘴,电炉出钢槽、石灰竖窑高温段、回转窑窑头、电厂锅炉等的内衬;刚玉质浇注料使用温度为1500~1650℃,主要用于作各种高温炉和高温构件的衬体,如钢水真空脱气装置的浸渍管外衬,喷射冶金和吹氩整体喷枪的衬体,电炉顶三角区衬体,LF炉炉盖,石化工业催化裂化反应器的高温耐磨衬体等。


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