微粉在冶金耐火材料中的应用开发

2015-04-28李江中冶京诚工程技术有限公司北京100176

中国科技纵横 2015年8期

李江（中冶京诚工程技术有限公司，北京 100176）

微粉在冶金耐火材料中的应用开发

李江
（中冶京诚工程技术有限公司，北京 100176）

近年来，随着我国耐火行业的不断发展，对微粉的应用越来越广泛，实践表明，将适量的微粉加入到冶金耐火材料当中，能够使材料的性能获得显著改善。为此，有必要加大微粉在冶金耐火材料中的应用开发力度。基于此点，文章首先简要分析了微粉的特性及其作用机理，在此基础上对冶金耐火材料中微粉的应用进行论述。期望通过本文的研究能够对微粉在冶金耐火材料中的推广应用起到一定的促进作用。

微粉冶金耐火材料

1　微粉的特性及其作用机理分析

微粉也被称之为硅微粉，它是一种由天然石英（SiO2）经过破碎、球磨等多道工艺制成的超细粉状材料，其最为显著的特点是无毒、无味、无污染。微粉具备以下性能：耐温性、耐酸碱腐蚀性、高绝缘性、硬度大等等。

1.1微粉的特性

以固体微粉为例，当其遭到破碎之后，表面积会迅速增大，相关研究结果表明，微粉的颗粒粒径变得越小，其表面积增大的幅度就越大，但表面层的质点与内部质点所受周围离子、分子的相互作用力却是完全不同的，基于这一前提，表面的质点在不平衡作用力的驱使下，会与平衡位置发生一定的偏离，再加上边角位置处的质点逐步缩小，也会导致表面质点位置出现偏离。同时，当机械的粉碎作用使固体微粉达到一定粒径之后，这种作用力并不会立即停止，而是会继续对表面层进行破坏，由此使得固体表面质点具备了更高的表面能，进而使高比表面积的微粉在烧结过程中表现出更为显著的活性，有助于促进烧结过程的完成。

1.2微粉的作用机理

随着微粉应用领域的逐步拓宽，对它的研究也越来越深入，在对微粉进行应用的过程中，必须清楚其作用机理。虽然微粉本身的作用机理较为复杂，但它的基本机理却比较简单，即填充与润滑。微粉能够填充骨料与粉料之间并不密实的空隙，从而使用水量大幅度降低，当成型体将多余的水分全部排除之后，本体上留存的孔洞会随之减少，由此能够使成型体的体积密度显著提高，显气孔率则会有所降低，在这一前提下，材料的结构强度会获得明显改善，其性能也会得到优化。此外，当微粉粒子与水发生反应后会形成胶体粒子，如果有分散剂存在，则会在粒子的表面上形成双点层的重叠，进而产生出静电斥力，这样一来，质点间的范德华力被有效克服，界面能降低，避免了粒子间的吸附凝聚效应。

2　冶金耐火材料中微粉的应用

在冶金耐火材料生产制造的过程中，应用较多的微粉有以下几种：SiO2（二氧化硅微粉）、Al2O3（氧化铝微粉）、SiC（碳化硅微粉）、锆英石微粉等等。虽然微粉在冶金耐材料生产中的加入量相对较少，但其产生出来的效果却非常明显。下面本文重点对微粉在不定型和定型耐火材料中的应用开发进行论述。

2.1在不定型冶金耐火材料中的应用开发

近年来，随着我国科学技术水平的不断提高，耐火行业随之获得了长足进步，浇注料也在这一前提下得到了发展，由原本的普通型，发展为现在的超低水泥型，与之相应的结合剂也从水玻璃、磷酸盐等发展为活性微粉和添加剂，从而使得浇注料的性能获得了显著提升，其应用范围大幅度拓宽。

（1）SiO2微粉的应用。通过对低水泥耐火浇注料进行研究后发现，在较少水泥用量的基础上，获得超高耐火性的关键是微粉与外加剂的使用。微硅粉又被称之为硅灰，它是铁合金在冶炼硅铁和金属硅时，热电炉内产生出大量的SiO2和Si气体排放后于空气氧化冷凝沉淀后的产物，属于工业冶炼中最为典型的副产物之一。SiO2是硅灰的主要成分之一，它的特点是比表面积大、表面能较高、吸水性好且易发生团聚。在耐火浇注料的加工过程中，掺入适量的SiO2微粉及分散剂能够使其流动性获得显著提升。相关试验结果显示，浇注料的硬化是水泥水化与微粉凝结的共同作用，微粉的加入量对浇注料的性能及理化指标具有显著的影响，鉴于此，为了进一步提升耐火浇注料的性能，除了要优选微粉之外，还要确保用量合理。

（2）Al2O3微粉的应用。Al2O3微粉除了能够显著提升耐火浇注料的性能之外，还对确定高温条件下耐火浇注料的莫来石化程度具有重要作用。Al2O3与SiO2在1200-1400℃的条件下发生反应会形成莫来石，其前提是氧化钙的含量较低，相关研究结果表明，莫来石化决定高温强度的发展，其能够使耐火浇注料的高温热机械性能获得大幅度提升。不仅如此，Al2O3微粉对耐火浇注料的浇注性能也有着较大的影响，如采用SiO2微粉、铝酸盐水泥、添加剂以及活性氧化铝微粉等，按照用途的不同，配以叶蜡石粉、莫来石粉等，再以硬质和轻质粘土作为骨料，便可开发出性能优异的低水泥耐火浇注料，具体的产品包括：炉外用冶金喷枪加热炉用浇注料、加热炉烧嘴砖等等。由此可见，微粉的应用进一步增加了产品的种类，其性能也有所提高。

2.2在定型耐火材料中的应用

由于微粉表面质点具有活化性强的特点，加之其表面缺陷较多，所以能够有效促进烧结进程，并使烧成温度显著降低。相关试验结果表明，加入的微粉为1-5μm时，最能促进烧结过程，加入微粉的作用具体体现在如下几个方面：其一，能够有效填充空隙，从而使气孔减小，需要注意的是加入量不得过大，不然会造成致密性下降；其二，微粉一般都分布于颗粒的边缘，因其自身所具备的表面活性，所以能在低温状态下与颗粒进行良好的结合，从而使一部分贯通气孔被封闭，由此能够显著提升制品的致密性和强度，并进一步促进烧结，试验研究结果表明，微粉的这个作用仅在其粒度＜5μm时才会出现。故此，借助微粉的这个特性将之加入到烧成耐火制品当中，能够有效增强制品的强度和密度。如高铝矾土和硬质粘土熟料作为基料，并加入一定量的石英和Al2O3微粉，便可以使材料自身的抗蠕变性能获得显著改善，由此可以开发出蠕变性较低的粘土砖和高铝砖制品，此类产品在炼铁厂的热风炉中应用较为广泛。