不定型耐火材料的結(jié)合方式及其發(fā)展動態(tài)

2007-08-01 00:00

一、引言

  不定型耐火材料的結(jié)構(gòu)強度取決于三種結(jié)合力:(A)結(jié)合相本身的結(jié)合力;(B)結(jié)合相與集料相之間的結(jié)合力;(C)集料相顆粒本身(晶相與晶相、晶相與非晶相)的結(jié)合力。在超過材料所能承受的最大應(yīng)力作用下,若(A)<(B)和(C),則材料通過結(jié)合相斷裂:若(B)<(A)和(C),則材料沿結(jié)合相與集料相是界斷裂;若(C)<(A)和(B),則材料必然穿過集料相顆粒斷裂。

  不定型耐火材料一般是由連續(xù)的結(jié)合相和不連續(xù)的集料相組成的。但一般說集料相顆粒的強度要比結(jié)合相大,因此,不定型耐火材料的結(jié)構(gòu)強度是受結(jié)合相所控制,也就是說結(jié)合劑是決定不定型耐火材料結(jié)構(gòu)強度的主要組成份。

二、結(jié)合方式與結(jié)合機理

  不定型耐火材料用的結(jié)合劑,按其結(jié)合方式可分為如下幾種:水合結(jié)合、化學(xué)結(jié)合、陶瓷結(jié)合、粘著結(jié)合和凝聚結(jié)合。
  (1)水合結(jié)合:所用的結(jié)合劑有鋁酸鈣水泥、硅酸鹽水泥、β—A2lO3等,水合結(jié)合是借助于常溫下結(jié)合劑與水發(fā)生水化反映生成化產(chǎn)物而產(chǎn)生結(jié)合。
  水結(jié)合的膠結(jié)材料在常溫下進行水化反映需要有一定的時間,因此具有一定的凝結(jié)和硬化時間,這類材料主要用作耐火澆注料的結(jié)合劑。
  (2)化學(xué)結(jié)合:所用的結(jié)合劑有磷酸或磷酸鹽(加或不加硬化劑)、硅酸鈉或硅酸鉀(加或不加硬化劑)、酚醛樹脂加硬化劑等等。它們是借助于結(jié)合劑與耐火材料(氧化物集料)、或結(jié)合劑與硬化劑之間在常溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或加熱時發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新化合物或聚合(縮合)交聯(lián)而產(chǎn)生結(jié)合的,因此有的也含有聚合結(jié)合作用。
  化學(xué)結(jié)合劑加硬化劑時主要用作耐火澆注料的結(jié)合劑,而不加硬化劑時則用作搗打料,可塑料和涂料的結(jié)合劑。
  (3)陶瓷結(jié)合:或稱低溫?zé)Y(jié)結(jié)合,是在不定型耐火材料中加入可降低燒結(jié)溫度的助劑或金屬粉末,以大大降低液相出現(xiàn)溫度,促進低溫下固——液反應(yīng)而形成低溫?zé)Y(jié)結(jié)合,所用的低溫?zé)Y(jié)助劑有某些硼酸鹽、氟化物和硼、鈉玻璃等,金屬粉末有SiAAlMMg等粉末。

  使用燒結(jié)助劑是借助在500-1000℃的低溫下首先產(chǎn)生粘性液相將集料顆粒粘結(jié)在一起,隨后隨著溫度提高依靠液——固之間的高溫化學(xué)反應(yīng),生成具有更高熔融溫度的結(jié)合相而產(chǎn)生堅固的結(jié)合如在剛玉質(zhì)干式震動料中加入少量的硼酐,硼酐在577℃即可發(fā)生熔融生成粘性液腥,隨后與a-A2lO3發(fā)生液——固反應(yīng)生成具有更高熔融溫度的化合物2A2lO3•2B2O3(不一致熔融溫度1035℃)、9A2lO3•2B2O3(不一致熔融溫度1950℃)而將剛玉集料固結(jié)在一起。

    這類結(jié)合劑主要用語作干式震動料的結(jié)合劑,干式震動料可用于作感應(yīng)爐內(nèi)襯和高溫熔融流槽、容器等內(nèi)襯。

   (4)粘著結(jié)合:可形成粘著(粘附)結(jié)合的結(jié)合劑多數(shù)為有機結(jié)合劑,如糊精、糖蜜、阿拉伯樹膠、紙漿廢液、 甲基纖維素、瀝青聚乙烯基聚合物和酚醛樹脂等合成樹脂,其中有的為暫時性結(jié)合劑,經(jīng)高溫處理后會燃燒掉,有的為永久性結(jié)合劑,經(jīng)高溫處理后會碳化而形成碳結(jié)合,也有一些無機結(jié)合劑具有粘著結(jié)合作用,如磷酸二氫鋁、水玻璃等。
    粘附結(jié)合的結(jié)合劑多半用于作耐火泥漿、涂料、噴涂料和搗打料的結(jié)合劑,含碳和碳化硅質(zhì)不定型耐火材料多半用這類結(jié)合劑。
   (5)凝聚結(jié)合:可產(chǎn)生凝聚結(jié)合的材料有粘土微粉、氧化物超微粉(SiO2、A2lO3、TiO2、Cr2O3等)、硅溶膠、鋁溶膠和磚鋁溶膠,凝聚結(jié)合就是靠粒子(膠體粒子)之間相互吸引緊密接觸,借助于范德華力而結(jié)合在一起,但使用時必須加凝聚劑才能使膠體粒子發(fā)生凝聚而產(chǎn)生結(jié)合。
    產(chǎn)生凝結(jié)合的材料主要用于作耐火澆注料的結(jié)合劑,也可用于作耐火搗打料、涂料等的結(jié)合劑。

   三、結(jié)合方式的演變
  在不定型耐火材料中,便于機械化施工的是澆注料和噴補(噴涂)了,因此始終能夠得到穩(wěn)定發(fā)展的就是澆注料和噴補(噴涂)料,如以日本不定型耐火材料的品種變化為例[3],從1955年到1986年澆注料和噴涂料產(chǎn)量在不斷增長,而其他不定型耐火材料卻在下降。到85年,澆注料已占不定型耐火材料的40%。其他國家的發(fā)展也大致相似,因此這里重點介紹澆注料結(jié)方式的演變。

  最早的耐火澆注料是用礬土水泥結(jié)合的硅酸鋁澆注料,由于礬土水泥中CaO含量較高,它灰與硅酸鋁澆注料中集料的A2lO3和SiO2反應(yīng)生成C2AS或CAS2低熔物,大大降低硅酸鋁澆注料的耐火度和高溫性能,一般只能在1300℃以下使用。因此到六十年代前后發(fā)展了低鈣鋁酸鹽水泥和純鋁酸鈣水泥,它們的礦物是以CaO•2A2lO3為主,使鋁酸鈣水泥中的CaO含量又33—35%降低到21-25%,這樣就會使用高鋁集料和剛玉集料所制成的澆注料的使用溫度又1350℃以下提高到1450℃-1600℃。

  但是,采用低鈣酸鹽水泥和純鋁酸鈣水泥,仍有一定量的CaO帶入耐火澆注料中,影響其高溫結(jié)構(gòu)強度和其他高溫性能,因此近十年來,國外在致力于開發(fā)研究低水泥和超低水泥耐火澆注料(4)(5),以至無水泥澆注料使?jié)沧⒅械匿X酸鈣水泥加入量由15-20%降低到5-7%(低水泥澆注料)、1-3%(超低水泥澆注料)和0%(化學(xué)結(jié)合、凝聚結(jié)合澆注料)。這一系列的演變過程,使耐火澆注料的高溫應(yīng)用技術(shù)性得到了很大的改善。從而使應(yīng)用效果大大提高。

  但在無水泥澆注料中,化學(xué)結(jié)合的澆注料也有一些不足之處,因為化學(xué)結(jié)合所用的結(jié)合劑有磷酸鹽類、硫酸鹽類、硅酸鹽類等大呢感,這些結(jié)合劑不是在使用中會分解揮發(fā)出有害氣體(P205、SO2等)、腐蝕設(shè)備一起、污染環(huán)境,就是使用不方便(多數(shù)在使用前需經(jīng)捆料),或多少會帶進其他茳芏耐活澆注料高溫性能的雜質(zhì)(如硅酸鹽類結(jié)合劑中的Na2O、K2O等),而凝聚結(jié)合的澆注料,因為凝聚結(jié)合所用的結(jié)合材料可以是與澆注料同成份的超微粉加很少量的速效促凝劑,或同成份的溶膠加很少量的速促凝劑,這樣就可以不茳芏耐火度和使用溫度,而且還可能在使用中形成自結(jié)合或直接結(jié)合結(jié)構(gòu),從而提高材料的高溫結(jié)構(gòu)強度,同時加有超微粉的澆注料還可大大降低成形時的用水量,降低氣孔率,提高抗高溫熔體的滲透性和侵蝕性。

  四、結(jié)語

  不定型耐火材料的結(jié)合方式來看,一方面其發(fā)展趨勢為水合結(jié)合   化學(xué)結(jié)合  水合結(jié)合+凝聚結(jié)合  凝聚結(jié)合,實際上也就是由會帶入高雜質(zhì)的結(jié)合劑向低雜質(zhì),以至無雜質(zhì)的結(jié)合劑方向發(fā)展,即向提高不定型耐火材料純度方向發(fā)展。另一方面,發(fā)展趨勢為高水份  低水份  無水份,實際上也就是由低密度向高密度方向發(fā)展。值得指出的是:這樣的發(fā)展趨勢是為了發(fā)展新材料,新品種不定型耐火材料以適應(yīng)更苛刻的使用條件,擴大使用范圍,而不能完全淘汰過去一些傳統(tǒng)的產(chǎn)品,因為那些傳統(tǒng)的產(chǎn)品仍有它們的一些優(yōu)點,如原料來源豐富,價格便宜,因此在一些使用條件不十分嚴(yán)酷的部位仍有它們的用武之地。

編輯:

監(jiān)督:0571-85871667

投稿:news@ccement.com

本文內(nèi)容為作者個人觀點,不代表水泥網(wǎng)立場。如有任何疑問,請聯(lián)系news@ccement.com。(轉(zhuǎn)載說明
2024-10-31 07:33:00