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氧化铝微粉对镁铝浇注料性能的影响

发布日期: 2019-07-11 10:33:22    阅读量(130)    作者:张红

对Al2O3微粉的质量评价最重要的方面是其化学组成与颗粒尺寸大小分布。依照氧化铝与氧化钠的含量不同,氧化铝微粉可分为三类:第一类中Al2O3质量分数为99.0~99.5%,Na2O含量大于0.1%,通常在0.18%~0.55%之间;第二类为氧化钠含量少于0.1%的低钠氧化铝微粉;第三类为Al2O3质量百分比>99.9%的高纯氧化铝微粉。在耐火行业中常使用的是第一类和第二类氧化铝微粉。在传统浇注料中人们不太注意氧化铝微粉中氧化钠的含量,但氧化铝中氧化钠的含量对浇注料的性质有较大影响。这不仅是因为Na2O增加低熔物的量,而且对泥浆的分散性产生影响,从而对浇注料的施工性能与凝结时间产生影响。有研究表明:由于氧化钠溶解到溶液中从而使纯铝酸钙水泥与氧化铝微粉浆体(CA为55%,Al2O3微粉为45%,水质比0.5,温度20℃)水化的诱导期缩短,粉料的表面积随Al2O3中Na2O含量增多而增加,对浇注料各项物理性能影响非常大。同时也对水化物的生成、凝结时间以及凝固后坯体的性质与显微结构产生一定程度的影响。此外,Al2O3微粉的活性,例如其晶格的完整程度、表面特征等都可能对浇注料的施工特性产生一定的影响。

Al2O3微粉的尺寸大小及其分布对AM质材料的性能影响巨大。其粒度直径与表面积成反比,有较多的钠以及其它离子溶入溶液中。同时Al2O3微粉粒度分布对材料填充性及堆积密度也有较大作用。通常,Al2O3微粉的粒度直径分布分为单峰和多峰两类。所谓单峰分布就是只存在1个峰值的粒径分布曲线,即只存在1个众数粒径。而多峰分布是指在粒径分布曲线上存在两个及两个以上的峰,即有两个或众多个的众数粒径。通常,呈多峰粒度大小分布的氧化铝微粉的堆积密度较大,因为大颗粒形成的空隙更容易被较小的粒径填充。相反,粒度直径呈单峰分布的Al2O3微粉的紧密堆积程度相对比较小。同样,用粒径分布为多峰的氧化铝微粉比用粒径分布为单峰的更加容易使浇注料获得较高的体积密度。同时单峰分布的粒径,其分布较宽的Al2O3微粉填充性较好,其堆积密度也较高。表1中列出了几种Al2O3微粉的成分与性质。

表1 氧化铝微粉示例

细粉中的Al2O3可以为烧结刚玉、α-氧化铝微粉、电熔刚玉和ρ-氧化铝微粉等。刚玉成分主要为α-氧化铝,具有以下特性:

①、电绝缘性、热导性很好,抵抗还原剂的还原能力强,化学稳定性很好;

②、属于三方晶系,呈现较短的柱状型晶型结构,真密度大小为3.85~4.01g/cm3,硬度与熔点分别为9和2050℃;

③、是非常重要的人工制造的磨料,是较高级别的耐火原材料。

刚玉的制作原料是工业Al2O3或铝土矿,制作工艺主要是经过烧结或者电熔。刚玉根据制造过程的不同分为烧结刚玉和电熔刚玉两类,按纯度的差异分类有以下几种:矾土基刚玉、锆刚玉、白刚玉、铬刚玉和棕刚玉等。白刚玉主要包括电熔普通刚玉、电熔致密刚玉、电熔低气孔刚玉。选取板状刚玉作为耐火浇注料中的骨料和粉料,已经得到越来越广泛的应用,获得了良好的使用效果。

从结构形态看,Al2O3分为高温α-Al2O3以及低温γ-Al2O3,在α与γ之间有几个中间体存在,常见的Al2O3存在形式有γ、σ、δ、χ、η、ρ、θ、α八种,再加上无定型Al2O3,Al2O3存在形式共有9种。人们一般对α-Al2O3研究的相对多,它的熔点较高,可达到2300℃,同时具有较大的硬度和没有粘接性等特性。α-氧化铝微粉通常在配方体系中含有一部分。α-氧化铝微粉可以填充大、中、小颗粒的气孔、调节施工性能的作用。更主要的是α-氧化铝微粉具有较高活性,在加MgO细粉的AM质浇注料中,在使用中容易和氧化镁原位生成尖晶石。而浇注料若添加尖晶石,α-氧化铝微粉更加容易固溶入尖晶石。值得关注的是,在富镁和富铝尖晶石材料的使用过程中,氧化铝或者氧化镁都可能固溶于尖晶石中,并带来一定的体积效应。这一过程对材料的显微结构、物相组成以及抗渣侵蚀都有一定影响。刚玉细粉的粒度、以及α-Al2O3微粉的加入量、粒度分布等都会对尖晶石的原位生成及固溶产生影响。赵惠忠等认为在AM浇注料中适当的添加α-氧化铝微粉,使材料高、中、低温耐压强度得到极大提高,并使材料在温度较高的条件下呈现高度的致密,从而显著提高材料的抗渣侵蚀能力。文献说明了基质中尖晶石的生成速率和不同的Al2O3微粉粒径大小之间的关系,当Al2O3微粉粒径较小时,加快了尖晶石形成速率,同时有效增强了材料中基质部分的结构,如果氧化铝微粉粒度太过微小,新产生的尖晶石粒度容易出现过烧情况,从而产生结构性脱落。因此,Al2O3微粉应用于AM质材料中其粒径大小以4um为最佳。

在Al2O3存在的9种晶体形式,能够在环境温度下呈现自发水化性能的主要为ρ-氧化铝,它的自发水化反应过程如下:

ρ-Al2O3+H2O=Al(OH)3+AlOOH    (1)

由上式看出,ρ-氧化铝自发水化反应生成的Al(OH)3、AlOOH,二者具有硬化和胶结的性能。ρ-氧化铝在较高温度条件下全部转化为成α-氧化铝,由于α-Al2O3具有优良的高温性能,所以以ρ-氧化铝为结合剂的浇注料具有相当好的自结合功能,ρ-氧化铝具备优良的结合性能,而其自身也是一种高级的耐火材料氧化物,不难看出ρ-氧化铝具备较高的高温使用性能。彭从华等人认为,水泥结合与ρ-Al2O3结合的AM浇注料做对比,值得关注的是由于ρ-Al2O3结合的AM浇注料不含氧化钙,没有发生由于纯铝酸钙水泥的存在而产生的不良影响,可提高浇注料的耐高温性能,使材料具有优良的抗侵蚀性、抗渣性以及抗热震性。它具有相当大的耐压、抗折强度,使用温度也大于1700℃,优良的体积稳定性以及良好的耐侵蚀等特点,在AM浇注料中加入量约为3%;水泥结合AM质材料的常温耐压强度相对比较高,但由于含有氧化钙,材料抗渣侵蚀/渗透性能与水泥的含量成反比。

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