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耐火浇注料中加入蓝晶石,性能提高非常多

发布时间:2020/10/28 技术知识 标签:轻质保温砖浏览次数:65

蓝晶石是一种高铝矿物原料,在高温下分解产生莫来石和SiO2,同时伴随明显的体积膨胀,而高温膨胀是其他高铝原料所没有的特性,故常常将蓝晶石作为原料添加到制品中,利用其膨胀效应抵消某些基体材料的收缩或者制品的烧成收缩,使制品具有高温体积相对稳定,抗热震性好和抗蠕变性能好等特点,进而提高制品的高温使用性能,延长制品的使用寿命。蓝晶石还具有耐酸碱、耐腐蚀、抗冲击力强、电绝缘性能好等特点。蓝晶石被广泛应用于冶金、陶瓷、耐火材料、玻璃、机械、电力和化工等领域。本文对蓝晶石在不定形耐火材料领域的应用进展报道文献加以汇总,系统地介绍了蓝晶石材料的利用进展情况。

浇注料是一种加水搅拌后具有良好流动性的不定形耐火材料,既可直接浇注成衬体使用,又可用浇注或震实的方法制成预制块使用。在不定形耐火材料中,浇注料所占比例最大。浇注料主要作为冶金、水泥、石油、化工、建材及机械工业窑炉和热工设备的内衬材料而广泛使用。

矾土基耐火浇注料

随着技术的发展,浇注料正朝向低水泥方向发展,低水泥浇注料与传统浇注料相比,具有更佳的高温性能和抗渣性能。其中,矾土基低水泥浇注料已取得一定的进展,为了解决矾土基低水泥浇注料在高温条件下因体积收缩导致的结构剥落,张玲等、朱新伟、单玉香等分别研究了蓝晶石对矾土基低水泥浇注料性能的影响。结果表明:蓝晶石原料在1300℃以前膨胀不明显,在1325℃~1390℃温度区间内快速膨胀,在1430℃达到最大膨胀值。蓝晶石膨胀温度区间较窄,仅65℃。当温度继续升高,由于液相的生成及烧结的作用,膨胀率下降。

当蓝晶石的加入量足够多时,才能补偿浇注料因烧结产生的收缩,提高材料的高温体积稳定性。在蓝晶石有较大膨胀值的高铝轻质耐火砖温度范围内加入适量蓝晶石有利于提高材料的荷重软化温度。浇注料应根据使用温度的不同而加入不同含量的蓝晶石,以便确保材料强度的提高。蓝晶石的加入,一方面能分解产生莫来石,提高材料的强度;另一方面由于分解产生的膨胀,使强度的增加受到限制。因此,只有引入适量的蓝晶石,才能改善材料的常温力学性能。

蓝晶石的体积膨胀在低温时不明显,因此只有加入少量的蓝晶石才能提高0.6%变形温度,而加入量过多时,低熔作用占主导导致0.6%变形温度下降。蓝晶石在高温下产生的体积膨胀补偿了试样的压缩变形以及蓝晶石降低液相生成温度,因此浇注料的4%变形温度随蓝晶石加入量的增加而提高。

蓝晶石加入量对矾土基低水泥浇注料高温抗折强度和抗热震性的影响。随着蓝晶石加入量的增加,材料的高温抗折强度和抗折强度保持率均呈先增大后减小的变化规律,当加入量w(蓝晶石)=4%时,材料具有最大的高温抗折强度,当加入量w(蓝晶石)=2%时,材料具有最佳的抗热震性。加入蓝晶石可提高材料抗热震性的原因为:蓝晶石在高温下分解形成柱状莫来石,这些长柱状晶粒穿插在基质中,形成网络交织结构,彼此相互制约和加强,能较好抵抗由热震引起的裂纹扩展,对提高材料的强度和抗热震性有利。

烧结点火炉用耐火浇注料

烧结点火炉是制备供高炉用烧结矿和球团矿的热工设备,使用的内衬材料在使用过程中往往会出现炉墙底部化学侵蚀严重和炉顶烧嘴周围温度较高的现象,导致点火炉使用寿命一般不到2年。

为了提高点火炉使用寿命,夏昌勇等以矾土、莫来石、SiC、蓝晶石和硅线石为原料,以SiO2微粉、活性α-Al2O3微粉和铝酸钙水泥为结合剂,加入减水剂三聚磷酸钠,研制出一种烧结点火炉用浇注料。结果表明:Si耐火砖g2 价格O2微粉的加入不但增加了材料的烘干后强度,也增加了材料经过1350℃烧后的常温抗折强度,但高温烧后材料的线收缩率却随着SiO2微粉加入量的增加而增大,影响了材料的高温体积稳定性。蓝晶石的引入能确保材料获得较理想的膨胀效果。综合考虑浇注料的各项性能,材料的最佳配比为:w(矾土)=70%,w(莫来石)=11%,w(蓝晶石)=3%,w(SiC)=4%,w(铝酸钙水泥)=5%,w(SiO2微粉)=3%,w(活性α-Al2O3微粉)=4%,w(三聚磷酸钠)=0.15%。

该浇注料可用于点火保温炉的炉顶、隔墙和点耐火砖用材火段的侧墙,并且该浇注料已在马钢烧结厂、三明钢铁厂、本钢烧结厂、天津铁厂、南昌钢铁厂、涟钢、湘钢和武钢等国内钢铁厂的点火炉上使用,实际使用结果表明:该浇注料施工性能好,烘干和高温烧后强度高,荷重软化温度高,抗热震性好,点火炉内衬无大的剥落和开裂,使用寿命已超过4年,确保了正常的生产运行。

矾土基无水泥浇注料

加热炉、均热炉是轧钢或锻钢时用于加热和均热钢坯或钢锭的热工设备,用于烧嘴部位的耐火材料需有良好的高温耐火性能和抗热震性能以及优良的抗高温气流冲刷与烟尘侵蚀的性能。而现用的矾土水泥结合高铝质耐火浇注料抗热震性一般,耐剥落性差,使用寿命较短,一般为3~6个月;同时由于使用矾土水泥作结合剂,水泥中的CaO成分在高温使用时形成低熔物,降低了浇注料的耐火性能,使材料变形严重,改变了炉内温度场,从而影响了钢坯的加热质量。

为此,以矾土、蓝晶石和硅线石为原料,以ρ-Al2O3微粉和SiO2微粉为结合剂,制备出矾土基无水泥浇注料。因ρ-Al2O3结合剂中w(Al2O3)=99.21%,杂质含量极低且不带入低熔物,因此不构成Al2O3-SiO2-CaO系,材料在高温使用过程中不形成钙黄长石或斜长石这样的低熔物,从而提高了材料的高温性能。将蓝晶石和硅线石按照质量比为2∶1的比例引入到浇注料中,改善了材料的高温烧后线变化并提高了材料的抗热震性能。蓝晶石和硅线石的热膨胀系数较小,在高温下转变为莫来石的热膨胀系数也小,相变前后的晶相都有利于提高材料的抗热震性;同时由于蓝晶石和硅线石热膨胀系数的差异,导致在相的界面上产生微裂纹,利用微裂纹的增韧机制也提高了材料的抗热震性能。

铁水预处理脱硫喷枪浇注料

铁水预处理是提高钢铁产品质量,扩大钢材品种,降低成本的重要工艺手段。脱硫喷枪是预处理设备的重要组成部分,在使用过程中脱硫喷枪浇注料因受到渣液、铁水的搅动而需承受高温冲刷磨损,同时还需承受喷吹时枪体振动带来的机械破坏以及间歇作业时温度的骤然变化。因此,脱硫喷枪浇注料常常产生穿孔、开裂和熔损等现象,进而损坏钢管内芯,降低了脱硫喷枪的使用寿命,阻碍了生产,加大了生产成本。

对此,以矾土、莫来石和蓝晶石为原料,以SiO2微粉和铝酸钙水泥为结合剂,添加适量钢纤维,研制出一种适应攀钢工艺要求的铁水预处理脱硫喷枪浇注料。由于喷枪壁薄,使用时温度波动较大,枪体机械振动剧烈,因此枪体的高温体积稳定性非常重要,为尽量减少钢管内芯的热膨胀与浇注料的热膨胀的差异,必须使喷枪在中、高温条件下具有一定的膨胀。因此,适量蓝晶石的引入抵消了材料在高温和冷却过程中产生的收缩裂缝,从而提高了材料的使用寿命。将研制的该浇注料成型10支脱硫喷枪在攀钢使用,抗冲刷能力明显增强,平均使用寿命37.9次,较原喷枪使用寿命提高20次左右,保证了生产需要。但该浇注料在使用十几次后,仍存在环状裂纹,这也将影响其使用寿命,因此有待进一步解决浇注料与钢管内芯的热膨胀系数匹配问题。

莫来石基浇注料

莫来石基浇注料具有很强的抗爆裂性、较高的强度和优良的抗热震性等特点,适用于耐剥落及耐磨性优良的衬里部位。为了进一步提高莫来石基浇注料的性能以莫来石、刚玉和蓝晶石为原料,以SiO2微粉和苏州土为结合剂,研究了3种粒度的蓝晶石(0.8mm~0.355mm,0.355mm~0.088mm,<0.088mm)对莫来石-刚玉材料性能的影响。

结果表明:随着温度的升高,加入粒度>0.088mm蓝晶石试样的线变化率增加,显气孔率增大,体积密度下降,耐压强度减小;而加入粒度<0.088mm蓝晶石试样的线变化率略有增加,显气孔率、体积密度和耐压强度变化不大。含有3种粒度蓝晶石的试样中,引入粒度<0.088mm蓝晶石的试样具有较低的显气孔率、较大的体积密度和较高的耐压强度。由XRD曲线看出,粒度<0.088mm的蓝晶石在1200℃开始分解,在1300℃时完全分解,莫来石衍射峰的强度不断提高。

粒度为0.355mm~0.088mm和0.8mm~0.355mm的蓝晶石分解温度升高,完全分解的温度提高至1400℃左右,快速分解温度在1200℃~1纸桨废泥造耐火砖300℃,温度继续升高时,蓝晶石的分解量变化不大。虽然3种粒度的蓝晶石在1400℃时已完全或几乎完全分解,但由线变化率结果可知,含有3种不同粒度的试样在1400℃~1500℃区间仍在膨胀,根据Saruhan等的研究,莫来石的合成温度始于1470℃,因此在该温度区间的膨胀是由蓝晶石分解产生的SiO2与Al2O3反应,即二次莫来石化反应造成的。在本试验条件下,加入蓝晶石的最佳粒度为<0.088mm,最佳加入量为w(蓝晶石)=10%~15%。Belogurova等以蓝晶石、氧化镁、SiC和硅铁生产废弃物为原料,制备出具有优良抗热震性能的莫来石-堇青石复合材料。该材料经过1300℃→水冷条件下,热震循环次数可达45次。

硅酸铝纤维浇注料

隔热保温材料与致密材料相比具有密度低、热导率低、保温性能好等特点,被广泛应用于高温窑炉的隔热层和内衬,增加了窑炉的蓄热效果并减轻了窑炉的重量,在提倡低碳环保和可持续发展的理念下,具有很好的发展前景和研究意义。其中,硅酸铝纤维是一种重要的隔热材料。然而,传统的硅酸铝纤维材料主要以定形制品为主,如纤维板、毡、毯等,受到强度及施工条件的限制,不能广泛的应用于需满足一定强度和施工条件较为复杂的窑炉部位,并且纤维材料的定向收缩严重,容易因产生过大的裂缝而导致炉壁受损。随后发展的纤维不定形材料主要为纤维喷涂料,纤维喷涂料虽然克服了上述定形制品的缺点,但由于纤维喷涂料的强度耐火砖重皮低,易受机械力破坏,因此其应用范围有限。

为此,以高铝纤维球、轻质莫来石、蓝晶石、α-Al2O3粉和SiO2微粉为原料,以高铝水泥和硅溶胶为结合剂,研制出一种整体性好、施工方便、低导热性、高强度的硅酸铝纤维浇注料。硅酸铝纤维材料的体积密度非常低,内部具有很多的空气,同时由于硅酸铝纤维的直径非常细,一般为3μm~7μm,且纤维是一种非晶体物质,它具有比晶体高的内能,极不稳定,在高温下很容易析晶,因此纤维浇注料和其他浇注料相比,具有更大的高温体积收缩。蓝晶石的引入对纤维浇注料强度的影响不大。随着蓝晶石加入量的增多,材料的线收缩率先减小后增大,当w(蓝晶石)=5%时,材料具有最小的线收缩率。倪文等为了减少莫来石隔热耐火浇注料的高耐火砖厂家温收缩,将蓝晶石作为膨胀剂引入到隔热浇注料中。结果表明:当蓝晶石加入量为w(蓝晶石)=25%时,隔热耐火浇注料经过1500℃×24h烧成后的线收缩率为0.8%,达到了设计要求。

焦宝石基浇注料

此外,焦宝石基浇注料具有优良的耐高温性能、耐熔融金属侵蚀和抗热震性能,适用于与铁水直接接触的转炉、铁水包等设备的衬里部位。作者等将蓝晶石引入到焦宝石基浇注料中,分别开发出不同种类的焦宝石基浇注料。由于蓝晶石的引入,这些浇注料在高温下均具有良好的体积稳定性能。

总结

除了上述中,蓝晶石在耐火浇注料中的应用,其在其他不定形耐火材料的制备领域都起着举足轻重的作用。利用蓝晶石高温下永久性膨胀的特点,将其引入到耐火材料和陶瓷等材料中,可以提高制品的体积稳定性、荷重软化温度、抗热震性、抗渣性和抗磨性,解决了材料在高温和冷却过程中因产生收缩、裂纹和剥落等降低使用寿命的问题。但蓝晶石的体积膨胀在补偿材料收缩的同时,也存在降低材料强度的不利影响,因此在实际使用中,应根据使用环境合理选择蓝晶石的粒度和加入量,通过控制蓝晶石的粒度和加入量来调节其膨胀量,从而实现材料体积稳定性和强度的平衡。

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