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在這幾種耐火澆注料中加入藍晶石,性能蹭蹭蹭上漲!

藍晶石是一種高鋁礦物原料,在高溫下分解產生莫來石和SiO2,同時伴隨明顯的體積膨脹,而高溫膨脹是其他高鋁原料所沒有的特性,故常常將藍晶石作為原料添加到制品中,利用其膨脹效應抵消某些基體材料的收縮或者制品的燒成收縮,使制品具有高溫體積相對穩定,抗熱震性好和抗蠕變性能好等特點,進而提高制品的高溫使用性能,延長制品的使用壽命。藍晶石還具有耐酸堿、耐腐蝕、抗沖擊力強、電絕緣性能好等特點。藍晶石被廣泛應用于冶金、陶瓷、耐火材料、玻璃、機械、電力和化工等領域。本文對藍晶石在不定形耐火材料領域的應用進展報道文獻加以匯總,系統地介紹了藍晶石材料的利用進展情況。image.png

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澆注料是一種加水攪拌后具有良好流動性的不定形耐火材料,既可直接澆注成襯體使用,又可用澆注或震實的方法制成預制塊使用。在不定形耐火材料中,澆注料所占比例最大。澆注料主要作為冶金、水泥、石油、化工、建材及機械工業窯爐和熱工設備的內襯材料而廣泛使用。

澆注料是一種加水攪拌后具有良好流動性的不定形耐火材料,既可直接澆注成襯體使用,又可用澆注或震實的方法制成預制塊使用。在不定形耐火材料中,澆注料所占比例最大。澆注料主要作為冶金、水泥、石油、化工、建材及機械工業窯爐和熱工設備的內襯材料而廣泛使用。

礬土基耐火澆注料

隨著技術的發展,澆注料正朝向低水泥方向發展,低水泥澆注料與傳統澆注料相比,具有更佳的高溫性能和抗渣性能。其中,礬土基低水泥澆注料已取得一定的進展,為了解決礬土基低水泥澆注料在高溫條件下因體積收縮導致的結構剝落,張玲等、朱新偉、單玉香等分別研究了藍晶石對礬土基低水泥澆注料性能的影響。結果表明:藍晶石原料在1300℃以前膨脹不明顯,在1325℃~1390℃溫度區間內快速膨脹,在1430℃達到最大膨脹值。藍晶石膨脹溫度區間較窄,僅65℃。當溫度繼續升高,由于液相的生成及燒結的作用,膨脹率下降。當藍晶石的加入量足夠多時,才能補償澆注料因燒結產生的收縮,提高材料的高溫體積穩定性。在藍晶石有較大膨脹值的溫度范圍內加入適量藍晶石有利于提高材料的荷重軟化溫度。澆注料應根據使用溫度的不同而加入不同含量的藍晶石,以便確保材料強度的提高。藍晶石的加入,一方面能分解產生莫來石,提高材料的強度;另一方面由于分解產生的膨脹,使強度的增加受到限制。因此,只有引入適量的藍晶石,才能改善材料的常溫力學性能。

王建武等研究了基質組成對礬土基澆注料荷重軟化溫度的影響。結果表明:藍晶石的體積膨脹在低溫時不明顯,因此只有加入少量的藍晶石才能提高0.6%變形溫度,而加入量過多時,低熔作用占主導導致0.6%變形溫度下降。藍晶石在高溫下產生的體積膨脹補償了試樣的壓縮變形以及藍晶石降低液相生成溫度,因此澆注料的4%變形溫度隨藍晶石加入量的增加而提高,這與張玲等的研究結果相同。

陳楊等還研究了藍晶石加入量對礬土基低水泥澆注料高溫抗折強度和抗熱震性的影響。結果表明:隨著藍晶石加入量的增加,材料的高溫抗折強度和抗折強度保持率均呈先增大后減小的變化規律,當加入量w(藍晶石)=4%時,材料具有最大的高溫抗折強度,當加入量w(藍晶石)=2%時,材料具有最佳的抗熱震性。加入藍晶石可提高材料抗熱震性的原因為:藍晶石在高溫下分解形成柱狀莫來石,這些長柱狀晶粒穿插在基質中,形成網絡交織結構,彼此相互制約和加強,能較好抵抗由熱震引起的裂紋擴展,對提高材料的強度和抗熱震性有利。

包揚等也以礬土為原料,以活性SiO2微粉、α-Al2O3微粉和純鋁酸鈣水泥為結合劑,添加適量減水劑,研制出一種具有優良抗高溫蠕變性能、抗熱震性和荷重軟化溫度高的高強、不收縮高鋁澆注料,并對比了三種膨脹劑金屬硅、藍晶石和紅柱石對材料性能的影響。結果表明:不加膨脹劑的材料高溫收縮大,易在高溫使用過程中產生收縮裂紋,降低使用壽命。加入三種膨脹劑均對材料起到了一定的高溫抗收縮性能,其中加入金屬硅粉徹底解決了材料在1400℃時的高溫收縮,抵消了其高溫蠕變,效果好于藍晶石、紅柱石,這與周安宏等的研究結果相同。但其價格較貴,不利于降低材料成本。研制的該澆注料已在高爐、回轉窯、加熱爐爐頂、燒結機點火器等部位應用,性能良好,壽命可達2年~3年。


燒結點火爐用耐火澆注料


燒結點火爐是制備供高爐用燒結礦和球團礦的熱工設備,使用的內襯材料在使用過程中往往會出現爐墻底部化學侵蝕嚴重和爐頂燒嘴周圍溫度較高的現象,導致點火爐使用壽命一般不到2年。

為了提高點火爐使用壽命,夏昌勇等以礬土、莫來石、SiC、藍晶石和硅線石為原料,以SiO2微粉、活性α-Al2O3微粉和鋁酸鈣水泥為結合劑,加入減水劑三聚磷酸鈉,研制出一種燒結點火爐用澆注料。結果表明:SiO2微粉的加入不但增加了材料的烘干后強度,也增加了材料經過1350℃燒后的常溫抗折強度,但高溫燒后材料的線收縮率卻隨著SiO2微粉加入量的增加而增大,影響了材料的高溫體積穩定性。藍晶石的引入能確保材料獲得較理想的膨脹效果。綜合考慮澆注料的各項性能,材料的最佳配比為:w(礬土)=70%,w(莫來石)=11%,w(藍晶石)=3%,w(SiC)=4%,w(鋁酸鈣水泥)=5%,w(SiO2微粉)=3%,w(活性α-Al2O3微粉)=4%,w(三聚磷酸鈉)=0.15%。

研制的該澆注料可用于點火保溫爐的爐頂、隔墻和點火段的側墻,并且該澆注料已在馬鋼燒結廠、三明鋼鐵廠、本鋼燒結廠、天津鐵廠、南昌鋼鐵廠、漣鋼、湘鋼和武鋼等國內鋼鐵廠的點火爐上使用,實際使用結果表明:該澆注料施工性能好,烘干和高溫燒后強度高,荷重軟化溫度高,抗熱震性好,點火爐內襯無大的剝落和開裂,使用壽命已超過4年,確保了正常的生產運行。


礬土基無水泥澆注料


加熱爐、均熱爐是軋鋼或鍛鋼時用于加熱和均熱鋼坯或鋼錠的熱工設備,用于燒嘴部位的耐火材料需有良好的高溫耐火性能和抗熱震性能以及優良的抗高溫氣流沖刷與煙塵侵蝕的性能。而現用的礬土水泥結合高鋁質耐火澆注料抗熱震性一般,耐剝落性差,使用壽命較短,一般為3~6個月;同時由于使用礬土水泥作結合劑,水泥中的CaO成分在高溫使用時形成低熔物,降低了澆注料的耐火性能,使材料變形嚴重,改變了爐內溫度場,從而影響了鋼坯的加熱質量。

為此,劉云等以礬土、藍晶石和硅線石為原料,以ρ-Al2O3微粉和SiO2微粉為結合劑,制備出礬土基水泥澆注料。因ρ-Al2O3結合劑中w(Al2O3)=99.21%,雜質含量極低且不帶入低熔物,因此不構成Al2O3-SiO2-CaO系,材料在高溫使用過程中不形成鈣黃長石或斜長石這樣的低熔物,從而提高了材料的高溫性能。將藍晶石和硅線石按照質量比為2∶1的比例引入到澆注料中,改善了材料的高溫燒后線變化并提高了材料的抗熱震性能。藍晶石和硅線石的熱膨脹系數較小,在高溫下轉變為莫來石的熱膨脹系數也小,相變前后的晶相都有利于提高材料的抗熱震性;同時由于藍晶石和硅線石熱膨脹系數的差異,導致在相的界面上產生微裂紋,利用微裂紋的增韌機制也提高了材料的抗熱震性能。


鐵水預處理脫硫噴槍澆注料


鐵水預處理是提高鋼鐵產品質量,擴大鋼材品種,降低成本的重要工藝手段。脫硫噴槍是預處理設備的重要組成部分,在使用過程中脫硫噴槍澆注料因受到渣液、鐵水的攪動而需承受高溫沖刷磨損,同時還需承受噴吹時槍體振動帶來的機械破壞以及間歇作業時溫度的驟然變化。因此,脫硫噴槍澆注料常常產生穿孔、開裂和熔損等現象,進而損壞鋼管內芯,降低了脫硫噴槍的使用壽命,阻礙了生產,加大了生產成本。

對此,程偉以礬土、莫來石和藍晶石為原料,以SiO2微粉和鋁酸鈣水泥為結合劑,添加適量鋼纖維,研制出一種適應攀鋼工藝要求的鐵水預處理脫硫噴槍澆注料。由于噴槍壁薄,使用時溫度波動較大,槍體機械振動劇烈,因此槍體的高溫體積穩定性非常重要,為盡量減少鋼管內芯的熱膨脹與澆注料的熱膨脹的差異,必須使噴槍在中、高溫條件下具有一定的膨脹。因此,適量藍晶石的引入抵消了材料在高溫和冷卻過程中產生的收縮裂縫,從而提高了材料的使用壽命。將研制的該澆注料成型10支脫硫噴槍在攀鋼使用,抗沖刷能力明顯增強,平均使用壽命37.9次,較原噴槍使用壽命提高20次左右,保證了生產需要。但該澆注料在使用十幾次后,仍存在環狀裂紋,這也將影響其使用壽命,因此有待進一步解決澆注料與鋼管內芯的熱膨脹系數匹配問題。


莫來石基澆注料


石基澆注料具有很強的抗爆裂性、較高的強度和優良的抗熱震性等特點,適用于耐剝落及耐磨性優良的襯里部位。為了進一步提高莫來石基澆注料的性能,郭敬娜等以莫來石、剛玉和藍晶石為原料,以SiO2微粉和蘇州土為結合劑,研究了3種粒度的藍晶石(0.8mm~0.355mm,0.355mm~0.088mm,<0.088mm)對莫來石-剛玉材料性能的影響。結果表明:隨著溫度的升高,加入粒度>0.088mm藍晶石試樣的線變化率增加,顯氣孔率增大,體積密度下降,耐壓強度減小;而加入粒度<0.088mm藍晶石試樣的線變化率略有增加,顯氣孔率、體積密度和耐壓強度變化不大。含有3種粒度藍晶石的試樣中,引入粒度<0.088mm藍晶石的試樣具有較低的顯氣孔率、較大的體積密度和較高的耐壓強度。由XRD曲線看出,粒度<0.088mm的藍晶石在1200℃開始分解,在1300℃時完全分解,莫石衍射峰的強度不斷提高。粒度為0.355mm~0.088mm和0.8mm~0.355mm的藍晶石分解溫度升高,完全分解的溫度提高至1400℃左右,快速分解溫度在1200℃~1300℃,溫度繼續升高時,藍晶石的分解量變化不大。雖然3種粒度的藍晶石在1400℃時已完全或幾乎完全分解,但由線變化率結果可知,含有3種不同粒度的試樣在1400℃~1500℃區間仍在膨脹,根據Saruhan等的研究,莫來石的合成溫度始于1470℃,因此在該溫度區間的膨脹是由藍晶石分解產生的SiO2與Al2O3反應,即二次莫來石化反應造成的。在本試驗條件下,加入藍晶石的最佳粒度為<0.088mm,最佳加入量為w(藍晶石)=10%~15%。Belogurova等以藍晶石、氧化鎂、SiC和硅鐵生產廢棄物為原料,制備出具有優良抗熱震性能的莫石-堇青石復合材料。該材料經過1300℃→水冷條件下,熱震循環次數可達45次。


硅酸鋁纖維澆注料


隔熱保溫材料與致密材料相比具有密度低、熱導率低、保溫性能好等特點,被廣泛應用于高溫窯爐的隔熱層和內襯,增加了窯爐的蓄熱效果并減輕了窯爐的重量,在提倡低碳環保和可持續發展的理念下,具有很好的發展前景和研究意義。其中,硅酸鋁纖維是一種重要的隔熱材料。然而,傳統的硅酸鋁纖維材料主要以定形制品為主,如纖維板、氈、毯等,受到強度及施工條件的限制,不能廣泛的應用于需滿足一定強度和施工條件較為復雜的窯爐部位,并且纖維材料的定向收縮嚴重,容易因產生過大的裂縫而導致爐壁受損。隨后發展的纖維不定形材料主要為纖維噴涂料,纖維噴涂料雖然克服了上述定形制品的缺點,但由于纖維噴涂料的強度低,易受機械力破壞,因此其應用范圍有限。

為此,胡鵬以高鋁纖維球、輕質莫石、藍晶石、α-Al2O3粉和SiO2微粉為原料,以高鋁水泥和硅溶膠為結合劑,研制出一種整體性好、施工方便、低導熱性、高強度的硅酸鋁纖維澆注料。硅酸鋁纖維材料的體積密度非常低,內部具有很多的空氣,同時由于硅酸鋁纖維的直徑非常細,一般為3μm~7μm,且纖維是一種非晶體物質,具有比晶體高的內能,極不穩定,在高溫下很容易析晶,因此纖維澆注料和其他澆注料相比,具有更大的高溫體積收縮。藍晶石的引入對纖維澆注料強度的影響不大。隨著藍晶石加入量的增多,材料的線收縮率先減小后增大,當w(藍晶石)=5%時,材料具有最小的線收縮率。倪文等為了減少莫石隔熱耐火澆注料的高溫收縮,將藍晶石作為膨脹劑引入到隔熱澆注料中。結果表明:當藍晶石加入量為w(藍晶石)=25%時,隔熱耐火澆注料經過1500℃×24h燒成后的線收縮率為0.8%,達到了設計要求。


焦寶石基澆注料


此外,焦寶石基澆注料具有優良的耐高溫性能、耐熔融金屬侵蝕和抗熱震性能,適用于與鐵水直接接觸的轉爐、鐵水包等設備的襯里部位。作者等將藍晶石引入到焦寶石基澆注料中,分別開發出不同種類的焦寶石基澆注料。由于藍晶石的引入,這些澆注料在高溫下均具有良好的體積穩定性能。


總結


除了上述中,藍晶石在耐火澆注料中的應用,其在其他不定形耐火材料的制備領域都起著舉足輕重的作用。利用藍晶石高溫下永久性膨脹的特點,將其引入到耐火材料和陶瓷等材料中,可以提高制品的體積穩定性、荷重軟化溫度、抗熱震性、抗渣性和抗磨性,解決了材料在高溫和冷卻過程中因產生收縮、裂紋和剝落等降低使用壽命的問題。但藍晶石的體積膨脹在補償材料收縮的同時,也存在降低材料強度的不利影響,因此在實際使用中,應根據使用環境合理選擇藍晶石的粒度和加入量,通過控制藍晶石的粒度和加入量來調節其膨脹量,從而實現材料體積穩定性和強度的平衡。





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