硅微粉不同SiO2含量对自流料流动性和物理性能的影响

文章来源：https://www.hayond.cn 发布时间：2020-08-05 浏览次数：51

为响应国家对环境保护的政策,推广使用环境友好型耐火材料势在必行。目前,转炉上使用的大面修补料仍以沥青、酚醛树脂等有机物结合为主,使用过程中产生有害气体和烟雾,不仅对大气环境造成污染、给人体健康带来危害,还存在烧结时间长、寿命短等问题。经研究,水系大面料烧结快、使用寿命长,不产生有害气体和烟尘,将逐渐代替有机结合大面料。本文中,以MgO-SiO2-H2O方式结合,制备了不同品级硅微粉结合的镁质自流浇注料,研究了不同SiO2含量的硅微粉对自流料流动性和物理性能的影响。

流料的流动性能

自流料搅拌后的初始自流值控制在260mm,放置0.5h后硅微粉中SiO2含量较高的99#自流料的自流值衰减为210mm,且放置1h后99#自流料的自流值衰减为100mm,自流料中硅微粉与镁砂、自由水较快的形成了MgO-SiO2-H2O凝胶,使其不再具有流动性。放置1h后95#、92#自流料的自流值基本没有减小,放置1.5h后自流值衰减为240mm左右,2h后自流值出现明显的衰减。92Z#含ZrO2自流料的自流值在2h内衰减最小。若自流料搅拌后立即自流施工使用,则4种硅微粉结合的自流料均可以使用;若短时间内无法自流施工使用,最好选用95#、92#、92Z#硅微粉。

自流料的物理性能

1000、1500、1600℃不同温度热处理后自流料的线变化率如图2所示。1000℃热处理后,自流料出现较小的线膨胀,在此温度下自流料的主要反应是MgO-SiO2-H2O水化物的脱水,不发生烧结反应。≥1500℃烧后自流料均出现线收缩,与高温下液相生成、促进烧结有关,且高温烧结带来的收缩要高于镁橄榄石生成伴随的体积膨胀。

1500℃热处理后,99#、95#、92#自流料的线收缩随硅微粉中SiO2含量的减少而呈现减小的趋势。可能是硅微粉中Fe2O3和K2O、Na2O杂质含量的增多,会加大自流料在高温下形成的液相量,对液相烧结来说,它可加快物质的传质和扩散过程,从而使生成镁橄榄石的反应更充分,带来的较多体积膨胀抵消了更多的烧结收缩。

而相比于92#自流料的线收缩,92Z#含有ZrO2硅微粉结合自流料具有较大的线收缩,可能是92Z#硅微粉中含有5.98%(w)的ZrO2,ZrO2与MgO和Al2O3在高温下会发生固溶反应,促进试样的烧结致密化,其他杂质如K2O、Na2O含量较低,会减少高温下自流料中液相的形成量,不利于镁橄榄石的大量生成,较少的体积膨胀抵消不了更多的烧结收缩。另外,1600℃时自流料的线收缩较小,且相差不大。此温度下依然是烧结收缩起主导作用,镁橄榄石的生成补偿了较多的烧结收缩。

不同热温度处理后,自流料的体积密度随99#、95#、92#硅微粉中SiO2含量的减少而减小,而92Z#含ZrO2硅微粉结合自流料的体积密度相对较大。

在1000℃温度下,自流料的烧结程度不大,烧后试样的致密度主要受烘干后试样致密度的影响。常温下硅微粉与镁砂、自由水形成MgO-SiO2-H2O水化物,硅微粉中SiO2含量的减少可能会降低自流料中水化物的生成量,从而使自流料烘干时蒸发的自由水增加,降低了烘后自流料的重量,也会使其体积密度减小;ZrO2的密度较大,含ZrO2硅微粉的添加可增加92Z#自流料的体积密度。

在≥1500℃温度下自流料呈现线收缩,且随硅微粉中SiO2含量的减少,自流料的线收缩呈现减小的趋势(见图2),高SiO2硅微粉结合自流料较大的致密度得益于其具有较明显的烧结收缩,而92%(w)的SiO2硅微粉结合自流料中镁橄榄石的生成相对较多,伴随的体积膨胀会使其致密度减小。相比于92#自流料,92Z#含有ZrO2-微粉结合自流料具有相对明显的烧结现象,加之自流料中含有密度较大的ZrO2,故92Z#自流料会具有较大的体积密度。

不同温度热处理后自流料的常温强度如图4所示,99#自流料的强度最大,随99#、95#、92#硅微粉中SiO2含量的减少,自流料的强度呈现逐渐降低的趋势,且含有ZrO2的硅微粉并没有使自流料的强度增加。

在1000℃热处理过程中,Si-OH键脱水聚合形成网络状的Si-O-Si结构,保证了自流料在1000℃热处理后具有一定的强度。自流料中Si-OH键、网络结构的形成可能会受到SiO2的含量的影响,硅微粉中较少的SiO2含量会导致自流料中Si-OH键、网络结构的形成量较低,从而自流料的强度得不到提高。

在≥1500℃温度下,高SiO2硅微粉结合自流料具有较大的烧结强度,与其存在较明显的烧结收缩有关;低SiO2硅微粉结合自流料中虽存在因较多镁橄榄石生成而产生的结合强度,但镁橄榄石生成伴随的体积效应会使自流料的强度降低。对于含有ZrO2的硅微粉,烧后试样在冷却过程中发生的ZrO2相变产生的裂纹是影响强度的敏感因素,这可能是含ZrO2硅微粉结合自流料的强度低的主要原因。

1600℃烧后自流料的高温强度如图5所示,随99#、95#、92#硅微粉中SiO2含量的减少,自流料的高温强度逐渐降低,92Z#自流料的高温强度要高于92#自流料的高温强度。硅微粉中SiO2含量减少的同时,K2O、Na2O等杂质含量在增加,高温下会加大自流料中生成的液相量,从而降低自流料的高温强度;含ZrO2的硅微粉中K2O、Na2O等杂质含量并不高,高温下液相的生成量也会相对较低,且MgO和ZrO2在高温下产生ZrO2复合MgO质耐火材料可提高MgO耐火材料的高温强度。

结论

(1)(SiO2)=99%的硅微粉结合自流料的自流值衰减最快,不适合在短时间内无法自流施工的情况。

(2)低纯度硅微粉结合自流料的致密度较小、强度较低;含有ZrO2的硅微粉会降低自流料的常温强度,但会使自流料的高温强度得到提高。