硅微粉不同SiO2含量對自流料流動性和物理性能的影響

文章來源：http://www.dyqzzz.cn 發布時間：2020-08-05 瀏覽次數：143

為響應國家對環境保護的政策,推廣使用環境友好型耐火材料勢在必行。目前,轉爐上使用的大面修補料仍以瀝青、酚醛樹脂等有機物結合為主,使用過程中產生有害氣體和煙霧,不僅對大氣環境造成污染、給人體健康帶來危害,還存在燒結時間長、壽命短等問題。經研究,水系大面料燒結快、使用壽命長,不產生有害氣體和煙塵,將逐漸代替有機結合大面料。本文中,以MgO-SiO2-H2O方式結合,制備了不同品級硅微粉結合的鎂質自流澆注料,研究了不同SiO2含量的硅微粉對自流料流動性和物理性能的影響。

流料的流動性能

自流料攪拌后的初始自流值控制在260mm,放置0.5h后硅微粉中SiO2含量較高的99#自流料的自流值衰減為210mm,且放置1h后99#自流料的自流值衰減為100mm,自流料中硅微粉與鎂砂、自由水較快的形成了MgO-SiO2-H2O凝膠,使其不再具有流動性。放置1h后95#、92#自流料的自流值基本沒有減小,放置1.5h后自流值衰減為240mm左右,2h后自流值出現明顯的衰減。92Z#含ZrO2自流料的自流值在2h內衰減最小。若自流料攪拌后立即自流施工使用,則4種硅微粉結合的自流料均可以使用;若短時間內無法自流施工使用,最好選用95#、92#、92Z#硅微粉。

自流料的物理性能

1000、1500、1600℃不同溫度熱處理后自流料的線變化率如圖2所示。1000℃熱處理后,自流料出現較小的線膨脹,在此溫度下自流料的主要反應是MgO-SiO2-H2O水化物的脫水,不發生燒結反應。≥1500℃燒后自流料均出現線收縮,與高溫下液相生成、促進燒結有關,且高溫燒結帶來的收縮要高于鎂橄欖石生成伴隨的體積膨脹。

1500℃熱處理后,99#、95#、92#自流料的線收縮隨硅微粉中SiO2含量的減少而呈現減小的趨勢。可能是硅微粉中Fe2O3和K2O、Na2O雜質含量的增多,會加大自流料在高溫下形成的液相量,對液相燒結來說,它可加快物質的傳質和擴散過程,從而使生成鎂橄欖石的反應更充分,帶來的較多體積膨脹抵消了更多的燒結收縮。

而相比于92#自流料的線收縮,92Z#含有ZrO2硅微粉結合自流料具有較大的線收縮,可能是92Z#硅微粉中含有5.98%(w)的ZrO2,ZrO2與MgO和Al2O3在高溫下會發生固溶反應,促進試樣的燒結致密化,其他雜質如K2O、Na2O含量較低,會減少高溫下自流料中液相的形成量,不利于鎂橄欖石的大量生成,較少的體積膨脹抵消不了更多的燒結收縮。另外,1600℃時自流料的線收縮較小,且相差不大。此溫度下依然是燒結收縮起主導作用,鎂橄欖石的生成補償了較多的燒結收縮。

不同熱溫度處理后,自流料的體積密度隨99#、95#、92#硅微粉中SiO2含量的減少而減小,而92Z#含ZrO2硅微粉結合自流料的體積密度相對較大。

在1000℃溫度下,自流料的燒結程度不大,燒后試樣的致密度主要受烘干后試樣致密度的影響。常溫下硅微粉與鎂砂、自由水形成MgO-SiO2-H2O水化物,硅微粉中SiO2含量的減少可能會降低自流料中水化物的生成量,從而使自流料烘干時蒸發的自由水增加,降低了烘后自流料的重量,也會使其體積密度減小;ZrO2的密度較大,含ZrO2硅微粉的添加可增加92Z#自流料的體積密度。

在≥1500℃溫度下自流料呈現線收縮,且隨硅微粉中SiO2含量的減少,自流料的線收縮呈現減小的趨勢(見圖2),高SiO2硅微粉結合自流料較大的致密度得益于其具有較明顯的燒結收縮,而92%(w)的SiO2硅微粉結合自流料中鎂橄欖石的生成相對較多,伴隨的體積膨脹會使其致密度減小。相比于92#自流料,92Z#含有ZrO2-微粉結合自流料具有相對明顯的燒結現象,加之自流料中含有密度較大的ZrO2,故92Z#自流料會具有較大的體積密度。

不同溫度熱處理后自流料的常溫強度如圖4所示,99#自流料的強度最大,隨99#、95#、92#硅微粉中SiO2含量的減少,自流料的強度呈現逐漸降低的趨勢,且含有ZrO2的硅微粉并沒有使自流料的強度增加。

在1000℃熱處理過程中,Si-OH鍵脫水聚合形成網絡狀的Si-O-Si結構,保證了自流料在1000℃熱處理后具有一定的強度。自流料中Si-OH鍵、網絡結構的形成可能會受到SiO2的含量的影響,硅微粉中較少的SiO2含量會導致自流料中Si-OH鍵、網絡結構的形成量較低,從而自流料的強度得不到提高。

在≥1500℃溫度下,高SiO2硅微粉結合自流料具有較大的燒結強度,與其存在較明顯的燒結收縮有關;低SiO2硅微粉結合自流料中雖存在因較多鎂橄欖石生成而產生的結合強度,但鎂橄欖石生成伴隨的體積效應會使自流料的強度降低。對于含有ZrO2的硅微粉,燒后試樣在冷卻過程中發生的ZrO2相變產生的裂紋是影響強度的敏感因素,這可能是含ZrO2硅微粉結合自流料的強度低的主要原因。

1600℃燒后自流料的高溫強度如圖5所示,隨99#、95#、92#硅微粉中SiO2含量的減少,自流料的高溫強度逐漸降低,92Z#自流料的高溫強度要高于92#自流料的高溫強度。硅微粉中SiO2含量減少的同時,K2O、Na2O等雜質含量在增加,高溫下會加大自流料中生成的液相量,從而降低自流料的高溫強度;含ZrO2的硅微粉中K2O、Na2O等雜質含量并不高,高溫下液相的生成量也會相對較低,且MgO和ZrO2在高溫下產生ZrO2復合MgO質耐火材料可提高MgO耐火材料的高溫強度。

結論

(1)(SiO2)=99%的硅微粉結合自流料的自流值衰減最快,不適合在短時間內無法自流施工的情況。

(2)低純度硅微粉結合自流料的致密度較小、強度較低;含有ZrO2的硅微粉會降低自流料的常溫強度,但會使自流料的高溫強度得到提高。