颗粒组成对刚玉质浇注料性能的影响

马玉龙，王榕林，刘一帆

(华北理工大学 材料科学与工程学院，河北 唐山 063210)

颗粒组成对刚玉质浇注料性能的影响

马玉龙，王榕林，刘一帆

(华北理工大学 材料科学与工程学院，河北 唐山 063210)

颗粒组成；刚玉；浇注料；自流值；常温物理性能

为改善刚玉质浇注料的流动性和坯体的性能，根据Andreasen方程CPFT/100 = (d/D)q，通过测定不同q值下浇注料的自流值和常温物理性能，研究了颗粒组成对刚玉质浇注料的流动性和坯体性能的影响。研究表明：颗粒组成显著影响刚玉质浇注料的流动性，当q值为0.25或0.26时，颗粒之间趋于理想的连续尺寸分布，堆积接近于最紧密堆积，浇注料的流动性最佳，颗粒组成显著影响刚玉浇注料的物理性能；当q值为0.26时，经110 ℃×24 h干燥后，干坯试样的常温物理性能最佳，即气孔率最小、体积密度最大、力学性能最佳。

刚玉质浇注料具有较高的耐火度、良好的体积稳定性和优良的抗侵蚀性能，因此广泛地应用于冶金、建材、石化等行业[1]。自流浇注料是二十世纪九十年代才发展起来的一种新型耐火材料，其无需振动设备和工具，可以减少噪音，改善环境和降低劳动强度[2]，是现代浇注料的发展方向。流动值是评价自流浇注料作业性的主要指标，流动值越大，流动性越好。浇注料所用原料的颗粒级配是影响浇注料的流动性的重要因素之一[3, 4]。耐火材料领域中最著名的堆积模型有Furnas、Anderegg和Andreasen分布模型，其中Andreasen分布模型使用最方便[5]。该项研究根据Andreasen分布模型，通过改变粒度分布系数q来研究颗粒组成对刚玉自流浇注料流动性和坯体性能的影响。

1 试验

1.1 原料与试样制备

本试验以板刚玉颗粒、氧化铝粉、铝酸盐水泥和硅灰为主要原料，以三聚磷酸钠为减水剂。

以Andreasen方程CPFT/100=(q/D)q为理论依据，通过改变q值计算获得刚玉质浇注料的颗粒组成。刚玉质浇注料的配料组成如表1所示。

按表1所示刚玉质浇注料的配料组成分别准确称取各配方物料并倒入搅拌机中，先干混1 min后加水湿混2 min，取部分混合均匀的浆料倒入图1所示截头圆锥形模具测定自流值；将混合均匀的浆料注入到尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的三联模内成型，经室温下24 h养护后脱模获得湿坯试样，湿坯试样经110 ℃×24 h干燥后获得干坯试样。

图1 圆锥形模具

配方号q值板刚玉/%6⁃3/mm3⁃1/mm1⁃0．5/mm0．5⁃0/mm≤45/μm活性Al2O3/%≤45/μm纳米Al2O3/%硅灰/%铝酸盐水泥/%三聚磷酸钠/%(外加)10．2012．917．29．123．217．692540．1720．2113．517．99．323．515．892540．1730．2214．118．59．523．814．192540．1740．2314．719．19．72412．592540．1750．2415．319．710．124．210．992540．1760．2515．920．210．224．39．492540．1770．2616．520．710．424．4892540．1780．2717．121．310．524．46．792540．1790．2817．621．810．724．55．492540．17100．2918．222．310．924．44．292540．17110．318．822．810．924．5392540．17

1.2 性能测试

采用图1所示截头圆锥形模具测定浇注料的自流值。其测试过程为：先将空圆锥模具置于水平平板上，然后把混合好的浇注料倒入模具中，待物料充满后，将超出模具上口的物料刮去，垂直提起锥模，让物料在平板上自由流动。1 min后，测量平板上物料的3处直径。自流值的计算公式为：

(1)

1.2.2 干坯性能

采用DX-300C型多孔材料气孔率检测仪测试试样的气孔率和体积密度；采用KZJ-5000型电动抗折试验机测试试样的常温抗折强度；采用TYE-300B液压式压力试验机测试试样的常温耐压强度。

2 试验结果与讨论

2.1 颗粒级配对刚玉浇注料自流值的影响

试验研究了加水量分别为160 mL、170 mL和180 mL时，q值对刚玉质自流浇注料自流值的影响，研究结果如图2所示。

图2 不同q值下的自流值

由图2可知，随着q值从0.2增加至0.3的过程中，浇注料的自流值基本上呈现先增大后减小的趋势，由此可见，浇注料的颗粒组成对浇注料的流动性有较大影响。由图2(a)可知，当加水量为160 mL时，只有当q值为0.25和0.26时，浇注料的自流值大于80%，刚玉质浇注料才有自流性，且q值为0.26时，浇注料的自流值最大，为98.9%。由图2(b)可知，当加水量为170 mL时，当q值为0.23～0.30时，浇注料具有自流性，当q值为0.26时，浇注料的自流值最大，为130%。由图2(c)可知，当加水量为180 mL时，q值为0.20～0.30时，刚玉质浇注料均具有自流性，且q值为0.24时，浇注料的自流值最大，为136%。由此可见，增加加水量可以明显提高浇注料的流动性。

经分析可知，当加水量一定时，细粉的用量对浇注料的流动性起着重要作用。微粉的基本作用机理为填充和润滑[6]。随着q值的增加，配料中骨料量增加、细粉量减少。以加水量为160 mL为例，当q值从0.20增至0.25的过程中，颗粒之间逐渐趋于理想的连续尺寸分布，堆积逐渐趋于最紧密堆积；当q值为0.25和0.26时，颗粒基本为最紧密堆积；当q值大于0.26时，随着骨料的增多，颗粒又开始偏离最紧密堆积。当颗粒呈最紧密堆积时，浇注料的流动性最好。同时，q值也影响加水量的多少。当颗粒之间趋于最紧密堆积时，浇注料中的水分趋于在颗粒表面形成水膜，减小颗粒间的阻力，增强流动性，当q值超过一定值时，填充骨料间的孔隙的细粉量减少，则水分首先趋于填充孔隙，所以在加水量不变的情况下，浇注料的流动性变差。提高浇注料的自流值，不宜一味地增加用水量，因为当加水量过多时，骨料会发生沉降，骨料与细粉发生分离，产生不良气孔，最终损伤煅烧后材料的致密性与强度[7]，所以在满足浇注料自流性的前提下，当加水量为160 mL、q值为0.25或0.26时，便可获得刚玉质自流浇注料。

水泥土浆液搅拌法有两种形式：一种是粉体喷搅拌法，另一种是深层搅拌法。一般的市政建筑工程地基深度都较浅，所以适合用深层搅拌法，这种搅拌法适合深度在10 m左右的地基。深层搅拌法是借助搅拌设备将地基中的土和水泥窑混合在一起，通过固化剂的作用使地基中的软土凝结在一起构成一个整体，再利用水泥使其在底部形成连续的坚硬墙体。

2.2 颗粒级配对刚玉浇注料物理性能的影响

根据本试验的试验目的要求，试样的物理性能是在其浇注料具有同等流动性的情况下进行测试，因此其加水量不同。其中，0.25、0.26为加水量160 ml，0.23、0.24、0.27、0.28、0.29、0.30为加水量170 ml，0.20、0.21、0.22为加水量180 ml。

2.2.1 颗粒级配对刚玉浇注料线变化率、气孔率和体积密度的影响

试验研究了经110 ℃×24 h干燥后干坯试样的线变化率、气孔率和体积密度，其结果如图3～5所示。

图3 不同q值下的线变化率

图4 不同q值下的气孔率 图5 不同q值下的体积密度

由图3所示的干坯试样的线变化率可知：随着q值的增加，干坯试样的线变化率基本上呈先减小后增大的趋势，当q值为0.26时，试样的线变化最小，但线变化率的变化幅度不大，在0.1～0.15之间。由图4所示的干坯试样的气孔率可知：随着q值的增加，干坯试样的气孔率基本上呈先减小后增大的趋势，当q值为0.26时，气孔率最小。由图5所示的干坯试样的体积密度可知：随着q值的增加，干坯试样的体积密度基本上呈先增大后减小的趋势，当q值为0.26时，体积密度最大，与干坯试样的气孔率变化规律相匹配。

2.2.2 颗粒级配对刚玉浇注料力学性能的影响

试验研究了经110 ℃×24 h干燥后干坯试样的常温抗折强度和常温耐压强度，其结果如图6～7所示。由图6～7可知：q值从0.2增加至0.3的过程中，干坯试样的常温抗折强度和耐压强度基本上呈现先减小后增加再减小的趋势；当q值为0.26时，干坯试样的常温抗折强度最高，当q值为0.27时，干坯试样的常温耐压强度最高。

图6 不同q值下的常温抗折强度 图7 不同q值下的常温耐压强度

经分析可知，颗粒组成对刚玉浇注料的物理性能的影响较大，当q为0.26时，经110 ℃×24 h干燥后的干坯试样的物理性能最好；当q值为0.26时，浇注料的颗粒之间趋于理想的连续尺寸分布，堆积接近于最紧密堆积，干坯试样的气孔率最小，体积密度最大，表现的力学性能最佳。

3 结论

(1)颗粒组成可以显著影响刚玉质浇注料的自流值，合理的颗粒尺寸分布能有效改善浇注料的流动性。当q取0.25或0.26时，刚玉质浇注料的颗粒堆积达到最紧密堆积，浇注料的流动性最佳。

(2)颗粒组成可以显著影响刚玉质浇注料的物理性能，当q取0.26时，刚玉浇注料的气孔率最小、体积密度最大、力学性能好。

[1] 周立红,杨德安,曹喜营,等.刚玉浇注料的研究与应用现状[J]. 耐火与石灰,2007,32 (5):10-13.

[2] 马学军.刚玉质自流浇注料的开发研制[J].河北冶金,2006, (s) : 50-52.

[3] 薛文东,宋文,孙加林,等.颗粒尺寸分布对耐火浇注料性能的影[J]. 稀有金属材料与工程,2007,36 (s2):366-368.

[4] Karadeniz E., Gurcan C., Ozgen S., et al. Properties of alumina based low-cement self-flowing castable refractories [J].Journal of the European Ceramic Society, 2007, 27(2-3) : 1849-1853.

[5] 邓勇跃. 刚玉自流浇注料的基础研究[D].武汉:武汉科技大学,2002.

[6] 单玉香，邵先磊. 微粉及其在耐火浇注料中的应用[J].砖瓦,2007,(8) : 49-50.

[7] Abílio P. Silva, Ana M. Segades, Deesy G. Pinto, et al. Effect of particle size distribution and calcium aluminate cement on the rheological behaviour of all-alumina refractory castables [J].Powder Technology, 2012, 226: 107-113.

Effect of Particle Size Distribution on Properties of Corundum Castable

MA Yu-long, WANG Rong-lin, LIU Yi-fan

(College of Material Science and Engineering, North China Universityof Science and Technology, Tangshan Hebei 063210, China)

particle size distribution; corundum; castable; self-flow value; physical properties at room temperature

In order to improve flowability and green bodies’ properties of corundum castable, according to Andreasen equation, the effect of particle size distributions on flowability and green bodies’ properties of corundum castable was studied through the measurement of self-flow value and physical properties at room temperature of castable. The results show that the flow of corundum castable is significantly affected by particle size distribution. When the self-flow value is 0.25 or 0.26, particles tended to continuous size distribution and the most compact stack, and the castable shows the best flowablity. The physical properties of castable are significantly affected by particle size distribution. When the value of q is 0.26, the samples dried at 110 ℃ for 24 hours show the best physical properties with the minimum porosity, the maximum volume density and the best mechanical properties.

2095-2716(2017)02-0031-06

2016-11-30

2017-04-04

TQ175.1+3

A