顆粒組成對(duì)剛玉質(zhì)澆注料性能的影響

馬玉龍，王榕林，劉一帆

(華北理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

顆粒組成對(duì)剛玉質(zhì)澆注料性能的影響

馬玉龍，王榕林，劉一帆

(華北理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

顆粒組成；剛玉；澆注料；自流值；常溫物理性能

為改善剛玉質(zhì)澆注料的流動(dòng)性和坯體的性能，根據(jù)Andreasen方程CPFT/100 = (d/D)q，通過測(cè)定不同q值下澆注料的自流值和常溫物理性能，研究了顆粒組成對(duì)剛玉質(zhì)澆注料的流動(dòng)性和坯體性能的影響。研究表明：顆粒組成顯著影響剛玉質(zhì)澆注料的流動(dòng)性，當(dāng)q值為0.25或0.26時(shí)，顆粒之間趨于理想的連續(xù)尺寸分布，堆積接近于最緊密堆積，澆注料的流動(dòng)性最佳，顆粒組成顯著影響剛玉澆注料的物理性能；當(dāng)q值為0.26時(shí)，經(jīng)110 ℃×24 h干燥后，干坯試樣的常溫物理性能最佳，即氣孔率最小、體積密度最大、力學(xué)性能最佳。

剛玉質(zhì)澆注料具有較高的耐火度、良好的體積穩(wěn)定性和優(yōu)良的抗侵蝕性能，因此廣泛地應(yīng)用于冶金、建材、石化等行業(yè)[1]。自流澆注料是二十世紀(jì)九十年代才發(fā)展起來的一種新型耐火材料，其無需振動(dòng)設(shè)備和工具，可以減少噪音，改善環(huán)境和降低勞動(dòng)強(qiáng)度[2]，是現(xiàn)代澆注料的發(fā)展方向。流動(dòng)值是評(píng)價(jià)自流澆注料作業(yè)性的主要指標(biāo)，流動(dòng)值越大，流動(dòng)性越好。澆注料所用原料的顆粒級(jí)配是影響澆注料的流動(dòng)性的重要因素之一[3, 4]。耐火材料領(lǐng)域中最著名的堆積模型有Furnas、Anderegg和Andreasen分布模型，其中Andreasen分布模型使用最方便[5]。該項(xiàng)研究根據(jù)Andreasen分布模型，通過改變粒度分布系數(shù)q來研究顆粒組成對(duì)剛玉自流澆注料流動(dòng)性和坯體性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原料與試樣制備

本試驗(yàn)以板剛玉顆粒、氧化鋁粉、鋁酸鹽水泥和硅灰為主要原料，以三聚磷酸鈉為減水劑。

以Andreasen方程CPFT/100=(q/D)q為理論依據(jù)，通過改變q值計(jì)算獲得剛玉質(zhì)澆注料的顆粒組成。剛玉質(zhì)澆注料的配料組成如表1所示。

按表1所示剛玉質(zhì)澆注料的配料組成分別準(zhǔn)確稱取各配方物料并倒入攪拌機(jī)中，先干混1 min后加水濕混2 min，取部分混合均勻的漿料倒入圖1所示截頭圓錐形模具測(cè)定自流值；將混合均勻的漿料注入到尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)模內(nèi)成型，經(jīng)室溫下24 h養(yǎng)護(hù)后脫模獲得濕坯試樣，濕坯試樣經(jīng)110 ℃×24 h干燥后獲得干坯試樣。

圖1 圓錐形模具

配方號(hào)q值板剛玉/%6?3/mm3?1/mm1?0．5/mm0．5?0/mm≤45/μm活性Al2O3/%≤45/μm納米Al2O3/%硅灰/%鋁酸鹽水泥/%三聚磷酸鈉/%(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 性能測(cè)試

采用圖1所示截頭圓錐形模具測(cè)定澆注料的自流值。其測(cè)試過程為：先將空?qǐng)A錐模具置于水平平板上，然后把混合好的澆注料倒入模具中，待物料充滿后，將超出模具上口的物料刮去，垂直提起錐模，讓物料在平板上自由流動(dòng)。1 min后，測(cè)量平板上物料的3處直徑。自流值的計(jì)算公式為：

(1)

1.2.2 干坯性能

采用DX-300C型多孔材料氣孔率檢測(cè)儀測(cè)試試樣的氣孔率和體積密度；采用KZJ-5000型電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的常溫抗折強(qiáng)度；采用TYE-300B液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的常溫耐壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顆粒級(jí)配對(duì)剛玉澆注料自流值的影響

試驗(yàn)研究了加水量分別為160 mL、170 mL和180 mL時(shí)，q值對(duì)剛玉質(zhì)自流澆注料自流值的影響，研究結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同q值下的自流值

由圖2可知，隨著q值從0.2增加至0.3的過程中，澆注料的自流值基本上呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，由此可見，澆注料的顆粒組成對(duì)澆注料的流動(dòng)性有較大影響。由圖2(a)可知，當(dāng)加水量為160 mL時(shí)，只有當(dāng)q值為0.25和0.26時(shí)，澆注料的自流值大于80%，剛玉質(zhì)澆注料才有自流性，且q值為0.26時(shí)，澆注料的自流值最大，為98.9%。由圖2(b)可知，當(dāng)加水量為170 mL時(shí)，當(dāng)q值為0.23～0.30時(shí)，澆注料具有自流性，當(dāng)q值為0.26時(shí)，澆注料的自流值最大，為130%。由圖2(c)可知，當(dāng)加水量為180 mL時(shí)，q值為0.20～0.30時(shí)，剛玉質(zhì)澆注料均具有自流性，且q值為0.24時(shí)，澆注料的自流值最大，為136%。由此可見，增加加水量可以明顯提高澆注料的流動(dòng)性。

經(jīng)分析可知，當(dāng)加水量一定時(shí)，細(xì)粉的用量對(duì)澆注料的流動(dòng)性起著重要作用。微粉的基本作用機(jī)理為填充和潤(rùn)滑[6]。隨著q值的增加，配料中骨料量增加、細(xì)粉量減少。以加水量為160 mL為例，當(dāng)q值從0.20增至0.25的過程中，顆粒之間逐漸趨于理想的連續(xù)尺寸分布，堆積逐漸趨于最緊密堆積；當(dāng)q值為0.25和0.26時(shí)，顆?；緸樽罹o密堆積；當(dāng)q值大于0.26時(shí)，隨著骨料的增多，顆粒又開始偏離最緊密堆積。當(dāng)顆粒呈最緊密堆積時(shí)，澆注料的流動(dòng)性最好。同時(shí)，q值也影響加水量的多少。當(dāng)顆粒之間趨于最緊密堆積時(shí)，澆注料中的水分趨于在顆粒表面形成水膜，減小顆粒間的阻力，增強(qiáng)流動(dòng)性，當(dāng)q值超過一定值時(shí)，填充骨料間的孔隙的細(xì)粉量減少，則水分首先趨于填充孔隙，所以在加水量不變的情況下，澆注料的流動(dòng)性變差。提高澆注料的自流值，不宜一味地增加用水量，因?yàn)楫?dāng)加水量過多時(shí)，骨料會(huì)發(fā)生沉降，骨料與細(xì)粉發(fā)生分離，產(chǎn)生不良?xì)饪?，最終損傷煅燒后材料的致密性與強(qiáng)度[7]，所以在滿足澆注料自流性的前提下，當(dāng)加水量為160 mL、q值為0.25或0.26時(shí)，便可獲得剛玉質(zhì)自流澆注料。

水泥土漿液攪拌法有兩種形式：一種是粉體噴攪拌法，另一種是深層攪拌法。一般的市政建筑工程地基深度都較淺，所以適合用深層攪拌法，這種攪拌法適合深度在10 m左右的地基。深層攪拌法是借助攪拌設(shè)備將地基中的土和水泥窯混合在一起，通過固化劑的作用使地基中的軟土凝結(jié)在一起構(gòu)成一個(gè)整體，再利用水泥使其在底部形成連續(xù)的堅(jiān)硬墻體。

2.2 顆粒級(jí)配對(duì)剛玉澆注料物理性能的影響

根據(jù)本試驗(yàn)的試驗(yàn)?zāi)康囊螅嚇拥奈锢硇阅苁窃谄錆沧⒘暇哂型攘鲃?dòng)性的情況下進(jìn)行測(cè)試，因此其加水量不同。其中，0.25、0.26為加水量160 ml，0.23、0.24、0.27、0.28、0.29、0.30為加水量170 ml，0.20、0.21、0.22為加水量180 ml。

2.2.1 顆粒級(jí)配對(duì)剛玉澆注料線變化率、氣孔率和體積密度的影響

試驗(yàn)研究了經(jīng)110 ℃×24 h干燥后干坯試樣的線變化率、氣孔率和體積密度，其結(jié)果如圖3～5所示。

圖3 不同q值下的線變化率

圖4 不同q值下的氣孔率 圖5 不同q值下的體積密度

由圖3所示的干坯試樣的線變化率可知：隨著q值的增加，干坯試樣的線變化率基本上呈先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)q值為0.26時(shí)，試樣的線變化最小，但線變化率的變化幅度不大，在0.1～0.15之間。由圖4所示的干坯試樣的氣孔率可知：隨著q值的增加，干坯試樣的氣孔率基本上呈先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)q值為0.26時(shí)，氣孔率最小。由圖5所示的干坯試樣的體積密度可知：隨著q值的增加，干坯試樣的體積密度基本上呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)q值為0.26時(shí)，體積密度最大，與干坯試樣的氣孔率變化規(guī)律相匹配。

2.2.2 顆粒級(jí)配對(duì)剛玉澆注料力學(xué)性能的影響

試驗(yàn)研究了經(jīng)110 ℃×24 h干燥后干坯試樣的常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度，其結(jié)果如圖6～7所示。由圖6～7可知：q值從0.2增加至0.3的過程中，干坯試樣的常溫抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度基本上呈現(xiàn)先減小后增加再減小的趨勢(shì)；當(dāng)q值為0.26時(shí)，干坯試樣的常溫抗折強(qiáng)度最高，當(dāng)q值為0.27時(shí)，干坯試樣的常溫耐壓強(qiáng)度最高。

圖6 不同q值下的常溫抗折強(qiáng)度 圖7 不同q值下的常溫耐壓強(qiáng)度

經(jīng)分析可知，顆粒組成對(duì)剛玉澆注料的物理性能的影響較大，當(dāng)q為0.26時(shí)，經(jīng)110 ℃×24 h干燥后的干坯試樣的物理性能最好；當(dāng)q值為0.26時(shí)，澆注料的顆粒之間趨于理想的連續(xù)尺寸分布，堆積接近于最緊密堆積，干坯試樣的氣孔率最小，體積密度最大，表現(xiàn)的力學(xué)性能最佳。

3 結(jié)論

(1)顆粒組成可以顯著影響剛玉質(zhì)澆注料的自流值，合理的顆粒尺寸分布能有效改善澆注料的流動(dòng)性。當(dāng)q取0.25或0.26時(shí)，剛玉質(zhì)澆注料的顆粒堆積達(dá)到最緊密堆積，澆注料的流動(dòng)性最佳。

(2)顆粒組成可以顯著影響剛玉質(zhì)澆注料的物理性能，當(dāng)q取0.26時(shí)，剛玉澆注料的氣孔率最小、體積密度最大、力學(xué)性能好。

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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