造孔剂对高性能轻质高铝浇注料性能的影响
发布日期： 2020-06-11 10:35:44 阅读量（379） 作者：
随着我国经济的快速发展， 对能源的需求量日益增加，尤其是那些高能耗的产业，如钢铁、水泥、有色金属、电力等高温工业，能源短缺与需求迅速增加的矛盾日益突出，高温工业高能耗、高污染、低效益的发展模式难以为继， 已经在一定程度上影响了我国经济的可持续发展。 另一方面，高排放、高污染的制造业产生了一系列严重的环境卫生和社会问题，引起了政府和民众的广泛关切。 因此，开发节能新材料、新技术，提高能源利用率，节能减排，保护环境，对实现经济的可持续发展意义重大。
传统高铝轻质浇注料的配置主要采用轻质骨料与重质细粉， 所用轻质骨料的气孔直径较大且强度较低，因此轻质浇注料的导热率较高，同时因骨料强度低而影响轻质浇注料的整体强度， 只能用于中低温部位(≤1 200℃)。 由传热学原理可知，材料的传热方式可分为：导热、对流和辐射三种。 从传热学的基本原理可推导出，若材料内部形成微小气孔、圆形气孔及封闭气孔结构， 则可显著降低其导热系数。 材料中气孔的孔径越小， 在高温下其热导率也就越低，具有微米孔结构的材料有更好的隔热效果。 当材料内部的孔隙尺寸与气态分子的平均自由行程相近时，气体分子的活动将被约束，气体分子很难相互碰撞，使气体传热的途径被阻隔。 因此要获得高性能的轻质不定形耐火材料，获得微孔的方法是关键，并且希望微孔在材料内均匀分布。
本工作基于设计浇注料内部气孔结构及分布的思想，采用控制组成、粒径大小及分布、烧失物法、造孔剂法等手段实现微孔技术，研究如何在浇注料内生成大量分布均匀、孔径大小一致的微纳米气孔结构。同时研究各种造孔剂对材料中气孔的大小、形状和分布、体积密度、强度、导热系数及材料微观结构等性能的影响。 对比不同造孔剂对浇注料性能和结构的影响。
1 实验方案
1.1 主要原料
本试验所用原料除合成轻质莫来石和莫来石空心球以外，还有高铝矾土熟料、漂珠、蓝晶石、二氧化硅微粉、氧化铝微粉、纯铝酸钙水泥、矾土生粉、红柱石、 造孔剂D、造孔剂C等。 原料的化学分析如表1所示。
1.2 试验配方
固定颗粒和部分细分的加入量， 调整各种添加剂的比例，具体配方见表2。
1.3 制样过程
按表2的比例准确称量各种原料， 加入强制式搅拌机中先干混3min，后加水搅拌均匀，以保证各浇注料的流动性基本相同，再湿混2min，然后经振动浇注成各性能检测所需试样;振动浇注成 40 mm×40 mm×160mm的条形样， 在室温下养护1d后脱模， 养护24h再经110℃×24h 烘干，1350℃×3h热处理后备用。 分别按有关标准检测体积密度、加热永久线变化、常温抗折强度、常温耐压强度、导热系数等指标。
2 结果与讨论
2.1 造孔剂对浇注料体积密度的影响
造孔剂对浇注料体积密度的影响如图1所示，由于造孔剂D的体积密度较轻，因此添加D后浇注料的体积密度降低，并且随加入量的增加，体积密度呈下降趋势。 添加生矾土和红柱石后，浇注料的体积密度变化不明显，可能由于生矾土的促烧结作用，使烧后体积密度略有上升。 同时添加造孔剂D和C，使浇注料的体积密度进一步降低。
2.2 造孔剂对浇注料常温耐压强度的影响
图2为造孔剂对浇注料常温耐压强度的影响。添加造孔剂D后由于浇注料的加水量略有上升，且高温烧后形成大量的微孔，使浇注料烘后、烧后的常温耐压强度略有下降，但变化不大。 添加生矾土和红柱石后，由于促进烧结，浇注料烧后的常温耐压强度略有增加; 添加红柱石的H试样1350 ℃烧后出现膨胀。 在添加造孔剂D的基础上添加造孔剂C，浇注料的常温耐压强度稍有下降。
2.4 显微结构分析
该部分用电子显微镜和孔径分布仪对烧后浇注料试样进行显微结构分析， 研究造孔剂对其微观结构的影响。
试样Q、D6和DC的显微结构照片如图4所示。由图可以看出，未添加改性剂的Q试样，其基质部分较致密，内部气孔相对较少，但气孔直径较大，多数气孔的直径>15μm。
添加造孔剂的 D6 和 DC 试样内部形成较多的微气孔， 且微孔均匀分布在基质中;D6 试样中多数气孔的直径<15 μm，DC 试样中大多数气孔的直径< 10 μm。 这些微孔的存在有缓解应力的作用，在一定程度上有利于材料强度的提高。 因此，试样D6和试样 DC 中虽然存在大量的微孔， 但其强度并没有严重恶化。
对比添加不同造孔剂的试样 D6 和 DC，由于 D6添加了 6%的造孔剂 D，造孔剂 D 的粘度较大，添加量过大时在浇注料中不易分散， 因此显微结构中可看到微气孔分布不均匀的现象。而同时添加 3%造孔剂 D 和 0.5%造孔剂 C 的试样 DC， 其分散性相对较好，且浇注料的流动性也较好，则微气孔的分布比较均匀， 即添加复合造孔剂的 DC 试样其基质的微孔结构优于仅添加造孔剂 D 的试样。
D6试样(6%造孔剂D)和试样DC(3%造孔剂D+0.5%造孔剂 C)的气孔孔径分步如图 5 所示。可以看出：D6 试样的中间孔直径为 8 468 nm， 平均孔直径为 10 334 nm。 DC 试样的中间孔直径为 2 473 nm，平均孔直径为 4 425 nm。 因此，DC 试样有较低的导热系数。
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