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不定形耐火材料常見的結合方式

發布日期: 2020-12-11 09:03:40    閱讀量(139)    作者:

不定形耐火材料的性能不僅僅與其主材質和粒度組成有關,還與其結合劑的選擇密切相關。從結合方式看,由水化結合—化學結合—水化結合+凝聚結合—凝聚結合的方向發展,即從可能帶入高雜質的結合劑向低雜質,乃至無雜質的結合劑的方向發展,進而極大地改善了耐火材料的潔凈度。結合劑按照結合機理的不同來劃分,可分為水化結合、化學結合、凝聚結合、縮聚結合、黏附結合和陶瓷結合六大類。

1、水化結合

水化結合是指常溫下通過與水發生反應,生成水化物后相互交錯凝結、硬化并獲得一定的強度。常見的有鋁酸鹽水泥、ρ-Al2O3等。

鋁酸鹽水泥主要適用于偏酸性或中性的噴補料。以水泥為結合劑的噴補料附著率較低、體積穩定性差。在水泥結合噴補料中添加有機酸可改善水泥結合噴補料的附著性,這是因為有機酸可以在分散后的短時間內使噴補料凝固。水泥結合鎂質噴補料主要是通過具有一定可塑性的液層與待噴補面粘結在一起的。因此,當液層的粘性越高時,噴補料抵抗外加剪切力的能力就越強,從而就可增大噴補料與待噴補面間的粘結強度,使得噴補層的結構和耐用性更好。對于鋼包和精煉爐中局部損毀或薄弱的位置適合使用這類噴補料。

氯氧鎂水泥適合用于堿性體系中。氯氧鎂水泥是由氯化鎂溶液和氧化鎂材料通過一定的比例反應得到的,其中氯化鎂的存在使得氧化鎂快速持續地水化,形成大量的結晶體,這些結晶體相互咬合形成網絡結構從而產生強度。但氯氧鎂水泥的強度等性能尚不能滿足某些使用要求。為了提高其強度,蔣述興[36]等人通過將鎂質膠凝材料與氯化鎂溶液混合,制備了復合型的氯氧鎂水泥硬化體,該硬化體具有較高的強度。但是氯氧鎂水泥的穩定性仍然沒有得到解決,在潮濕的使用環境下,氯氧鎂水泥會出現返鹵現象,限制了其進一步的使用。

2、化學結合

化學結合是指結合劑與物料之間發生物理化學反應,并生成具有一定結合作用的物質,從而使材料具有強度的一類結合劑。

磷酸鹽結合劑是采用不同酸度和聚合程度的磷酸鹽來制備的。在磷酸鹽結合劑中,其酸性越大,與堿性原料的反應就越快。像單磷酸鋁等強磷酸鹽,在30秒左右即發生反應和固化。但是,這對噴補料來說時間太短,因為噴補層必須保證后續物料的結合和嵌入。對于中性偏磷酸鈉來說,固化時間太慢,它僅適用于搗打料和澆注料,在噴補料中,它不能讓噴補層快速穩定。在堿性噴補料的結合劑中,使用較多的是聚合磷酸鹽。當其與氧化鈣一起使用時,聚合磷酸鈉可與氧化鈣反應生成高熔點的磷酸鈣鈉和磷酸三鈣,使噴補層與待噴補面間形成直接結合,從而獲得附著性和耐用性較好的鎂質噴補料。

硅酸鹽結合劑中使用較多的是水玻璃。由于水玻璃可以提高噴補層的觸變性,因此可將水玻璃作為生產鎂質噴補料的結合劑。但是由于水玻璃會與氧化鈣、氧化鎂反應生成低熔點的鈣鎂橄欖石,降低噴補層的抗侵蝕性。因此,在以水玻璃為結合系統時,噴補料中的氧化鈣含量要嚴格控制。

3、縮聚結合

縮聚結合是由催化劑或交聯劑的加入,使結合劑發生縮聚反應而使材料產生一定的強度。

在堿性噴補料中,使用較多的是煤焦油和瀝青,但其存在固化速度慢、附著率低和易剝落的問題。70年代開始與酚醛樹脂一起使用,這類噴補料具有低溫固化性好、熱附著性高的特點,在高溫碳化后殘炭高,強度和抗渣性優良,同時這種結合方式下,生成的低熔物相較少,噴補料的耐用性也較好[37]。但這類結合劑存在中溫強度差、煙氣污染環境的問題。同時由于含碳結合劑中的碳極易溶于鋼液中,導致鋼液增碳,不利于潔凈鋼的生產。

4、凝聚結合

凝聚結合是在懸浮溶液中添加凝結劑或通過調節pH,使膠體粒子發生凝聚而產生的結合。在選用超細粉時可選擇與主成分相似的物質,從而減少雜質的引入。

目前使用較多的有硅溶膠、硅微粉+高效分散劑等。

上世紀國外就開發了以超細粉為結合劑的噴補料,加以一定的分散劑,使得噴補料中的雜質含量降低,噴補層性能也更加穩定。劉貫重等人[38]以納米SiO2為結合劑,制備了出鐵溝濕法噴注料。該噴補料具有反彈率低,與熱溝面粘附性好的特點;且烘烤和出鐵過程無異常。在日均出鐵2100噸的高爐出鐵溝中使用壽命可達31天。但是以硅微粉為結合劑時,噴補料的早期強度仍然較低,凝結時間也較長。

溶膠-凝膠結合劑也是以凝聚結合方式的一類結合劑。其結合相的失水溫度范圍寬,且失水過程不會破壞其結合強度,克服了以水泥為結合劑時對溫度敏感的弱點;同時以溶膠-凝膠結合劑時,可以通過添加物或調節pH等手段來人為控制其膠凝過程,從而使得材料具有合適的凝固和硬化時間。早在1997年,日本就開發了一種鋁溶膠結合的噴補料,用該方法制備的噴補料具有粉塵少、易保存的特點。以溶膠為結合劑時,噴補料具有較好的快干防爆性能,有利于快速修補,同時噴補料與熱態表面的粘附性能較好。

結合劑的粘性和凝固能力與噴補料的性能密切相關。為滿足嚴苛環境下的使用,噴補料的結合系統不僅向著“純凈化”的方向發展,即盡可能減少由結合劑帶入的雜質,而且向著“穩定化”的方向發展,即在升溫過程中減少由結合劑的揮發或分解所帶來的結構破壞。就噴補料來說,結合方式也在向著凝聚結合的方向發展,且目前使用研宄較多的有硅溶膠、鋁溶膠等。

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