不同减水剂对Al2O3-SiC-C质出铁沟浇注料性能的影响

柯昌美 周黎琴 胡永 王全全 张金龙 汪振忠

(武汉科技大学湖北省煤转化与新型碳材料重点实验室)

不同减水剂对Al2O3-SiC-C质出铁沟浇注料性能的影响

柯昌美 周黎琴 胡永 王全全 张金龙 汪振忠

(武汉科技大学湖北省煤转化与新型碳材料重点实验室)

研究了普通减水剂 (三聚磷酸钠 STP、六偏磷酸钠 SHP和柠檬酸钠 Sodium Citrate)和高效减水剂 (市售聚羧酸型 HSPC-8A、自制聚羧酸型WKPC和德国进口 Castament-FS20等)这六种不同减水剂对 Al2O3-SiC-C质出铁沟浇注料施工性能的影响。试验结果表明:采用自制聚羧酸型WKPC所得制品性能最好,可以获得符合要求且性能良好的出铁沟浇注料。

铁沟浇注料 Al2O3-SiC-C 硅溶胶结合 高效减水剂 施工性能

0 前言

近年来,高炉出铁沟浇注料所采用的材质大多数为Al2O3-SiC-C,通常采用铝酸钙水泥作为结合剂[1],但是因为施工现场高炉的休风时间有限,以及出铁沟浇注料所需养护时间长等特点,从而限制了铝酸钙水泥结合的出铁沟浇注料在高温条件下的使用。所以,目前特别是国外,一般采用基于溶胶-凝胶原理技术的硅溶胶作为结合剂[1-3]。但使用硅溶胶作为结合剂时,在施工现场,当硅溶胶的加入量少时,浇注料凝固太快,流动分散性不佳;当加入量大时,流动性有所提高,但脱模后,材料表面结构疏松且耐压和抗折强度不高。针对上述问题,笔者研究了三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、柠檬酸酸钠、聚羧酸类减水剂 HSPC-8A、FS20和自制聚羧酸型减水剂WKPC等六种不同减水剂对浇注料性能的影响。

1 试验

1.1 试验原料

试验所采用的主要原料有:铝矾土熟料、电熔棕刚玉、特级碳化硅细粉、活性氧化铝超细粉、球形中温沥青、氧化硅微粉、金属硅粉、铝酸钙水泥、市售普通 (高效)减水剂和自制减水剂。自制聚羧酸型WKPC减水剂的主要成分是一种有机聚羧酸型减水剂。通过分子结构设计的原理,在分子的主 (侧)链上引入活性基团羟基、氨基、聚氧化乙烯基等,使分子具有梳型结构[4-6],并且通过复合技术改性,引入一种特殊的具有保水性质的纤维素类高分子。主要原料的化学组成见表 1,硅溶胶结合剂的组成和性能见表 2。

表1 部分原料的化学组成 w%

表2 硅溶胶的化学组成及物理性能

1.2 试验方法和性能检测

试验均在保持基料的配比不变的条件下进行,即:矾土熟料 60%,特级碳化硅 15%,活性氧化铝超细粉 10%,球形中温沥青 4%,氧化硅灰粉 2%,金属硅粉 0.5%,铝酸钙水泥 1%,硅溶胶 7.5%。

将各个基础组分配制成 1 kg的混合物,按照试验设计方案,普通型和高效型减水剂均在外加用量相同 (即:0.3%)的情况下加入 (见表 3)。在搅拌锅内干混 30 s,此后匀速加入适量的水再搅拌 120 s[7]。随后倒入三联模具中振动成型为 40 mm×40 mm×160 mm的条状试样;自然养护 24 h后脱模,在室温条件下自然干燥 24 h,然后分别在 110℃×24 h和 1450℃×3 h的温度下进行热处理,按照耐火材料相关标准检测方法分别测定各试样的显气孔率、体积密度、耐压强度和抗折强度[8],流动值的测定按照 GB/T2419-94中的跳桌法进行。

表3 减水剂种类的编号

2 结果与讨论

2.1 减水剂对浇注料流动值的影响

试验均在加水量一定的前提下进行,普通型和高效型减水剂对浇注料的流动值如图 1所示。

图1 不同减水剂对浇注料流动性的影响

由图 1可以看出,B、C、D和 E组试样的流动值明显均高于其他组;A、F和 G组试样的流动值较低,甚至 F组试样中所使用 STP减水剂所达到的流动性效果则不及空白试样 G组的效果好。其原因可能是:STP更适合含 Si微粉体系,而 SHP则适合含活性 Al2O3微粉体系[9]。这说明:高效减水剂比普通减水剂起到更好的分散效果,从而达到相对较高的流动值。

2.2 减水剂对浇注料的显气孔率、体积密度的影响

试样经 110℃×24 h和 1450℃×3 h热处理后所测得的显气孔率和体积密度如图 2所示。

图2 不同减水剂对浇注料体积密度和气孔率的影响

由图 2可知:各组试样的体积密度均随气孔率的增大而降低。这是因为气孔率是耐火制品中的开口气孔的体积与制品总体积的百分比,是评价耐火材料质量的重要指标,反映耐火材料的致密度[10]。当温度达到 110℃时,各组试样的体积密度稍有下降。然而,温度上升到 1450℃时,体积密度均有所提高。这是因为在 110℃浇注成型制品中的水分除去后,在制品中产生气孔,导致密度下降。然而,温度上升到 1450℃时,物料的蒸汽压增加,扩散系数增大,液相粘度降低,从而促进了蒸发 -凝聚,离子和空位的扩散,颗粒重排和粘、塑性流动等物质传递过程的发生,故使烧结速度加快,烧结密度提高及除掉气孔而导致成分产生致密化[11]。因此,从浇注料的气孔率控制在使用标准之内来说 C、D和 E组的试样均符合要求,但是 D组的试样具有最佳效果,B组的试样的气孔率较高,但是仍在使用标准之内。

2.3 减水剂对浇注料的耐压、抗折强度的影响

试样经 110℃×24 h和 1450℃×3 h热处理后所测得的耐压和抗折强度如图 3所示。

图3 各类减水剂对浇注料耐压强度和抗折强度的影响

由图 3可知,B和 D组的试样在经过 110℃烘干和 1450℃烧成后的耐压及抗折强度均比其它组试样的要高,并且各组试样的耐压强度和抗折强度在经 1450℃烧成后比经 110℃烘干后,其强度均有不同程度的提高。这是因为:110℃烘干时,随着水分的蒸发,硅溶胶形成 -Si-O-Si-凝胶网络结构,产生了胶着与结合,提高了浇注料的强度。由于温度的继续升高,达到 1450℃时,网络结构中包裹的 Al2O3和 -Si-O-Si-开始进行莫来石化反应并且其反应程度加剧,生成了莫来石矿物[12],所以试样的强度随热处理温度的升高而明显增大。

3 结论

1)出铁沟浇注料中有些减水剂 (比如 A、B、C和D组的试样中所使用的减水剂)对其流动性有明显地促进作用。

2)采用聚羧酸类高效减水剂WKPC、HSPC-8A和 FS20均能有效改善浇注料的相关性能,其耐压和抗压强度等性能指标均优于其它减水剂。

3)采用德国进口 Castament-FS20虽然在改善浇注料的施工性能等方面较 HSPC-8A和WKPC减水剂稍有优势,但是在考虑性价比后,自制WKPC减水剂则是实际生产应用中的最佳选择。

[1] 王玺堂,张保国,王周福,等.溶胶结合刚玉质耐火浇注料的研究[J].稀有金属材料与工程,2009,38(12):182-185.

[2] Is maelM R,Salomao R,PandolfelliV C.American Ceramic SocietyBulletin[J],2007,86(9):58.

[3] Sterbesov S,Ivanov Y,Serbezova R,et al.Properties of ultra low cement castables in Al2O3-SiC-C systems[C].Unitecr’93 Congress Refractories for the newWorld Economy.Proc.Conf:Sao Paulo,1993:939-950.

[4] 蔡希高.高性能外加剂主导、非主导官能团与氢键[J].化学建材,2003(4):41-44.

[5] 蔡希高.高性能复合高效减水剂研究[J].化学建材,2001(1):37-41.

[6] L IChong-zhi,FENGNai-qian,L I Yong-de,et al.Effects of polyethlene oxide chains on the perfor mance of polycarboxylatetype water-reducers[J].Cement and Concrete Research,2005,35(5):867-873.

[7] 高广震,柯昌明,田守信,等.分散剂和促凝剂对 Al2O3-SiCC浇注料流动性能的影响[J].耐火材料,2005,39(1):47-49,53.

[8] 耐火材料标准汇编组.耐火材料标准汇编[M].北京:中国标准出版社,1990.

[9] 赵娟,赵雷,李远兵,等.不定形耐火材料中减水剂的研究及应用[J].耐火材料,2009,43(5):397-399.

[10] 韩行禄.不定型耐火材料[M].北京:冶金工业出版社,2005:175-182.

[11] 周茁,王晓阳.无水泥高铝自流浇注料[J].国外耐火材料,2003,28(3):40-43.

[12] 曾伟,王玺堂,张保国.添加剂对硅溶胶结合刚玉浇注料流动性和常温物理性能的影响[J].武汉科技大学学报,2008,31(6):570-573.

EFFECT OF D IFFERENT TYPES OFWATER REDUCERS ON THE PROPERTIES OF Al2O3-SiC-C IRON TROUGH CASTABLE

Ke Changmei Zhou Liqin Hu Yong WangQuanquan Zhang Jinlong Wang Zhenzhong
(Hubei Coal Conversion and New CarbonMaterial KeyLaboratory,Wuhan University of Science and Technology)

This paper investigated the effect of different types of water reducers including nor malwater reducers such as STP,SHP and sodium citrate,and super plasticizer such as HSPC,FS20 andWKPC on the properties ofAl2O3-SiC-C castable.It is found that iron trough castable of good performance can be obtained when the water reducer isWKPC.

iron trough Al2O3-SiC-C silicon sol-binded super plasticizer construction perfor mance

＊

联系人:柯昌美,博士,教授,湖北.武汉 (430081),武汉科技大学湖北省煤转化与新型碳材料重点实验室;

2011—1—6