不同粒度紅柱石對(duì)礬土基噴涂料性能的影響

張 巍 戴文勇 孟 千

(派力固工業(yè)有限公司，遼寧大連116600)

0 前言

紅柱石具有較好的抗高溫蠕變性、抗熱震性，且原料本身不需要煅燒，使之成為優(yōu)良的耐火材料，在很多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1,2]。由于紅柱石分解并轉(zhuǎn)化為熱學(xué)性能、高溫力學(xué)性能、抗熱震性更好的莫來(lái)石，因此，紅柱石材料在對(duì)抗熱震性與高溫強(qiáng)度要求高的領(lǐng)域有很好的應(yīng)用效果。

礬土基噴涂料具有高氧化鋁含量，耐火度高，較高的強(qiáng)度和耐磨性等優(yōu)良性能[3,4]，但礬土基噴涂料經(jīng)過(guò)高溫?zé)崽幚砗螽a(chǎn)生的收縮較大，并且抗熱震性能較差[5,6]。因此，本文在前期研究的基礎(chǔ)上[7-9]，將不同粒度的紅柱石引入到礬土基噴涂料中，利用紅柱石在高溫下相變產(chǎn)生的膨脹來(lái)補(bǔ)償?shù)\土基噴涂料在高溫下產(chǎn)生的收縮，以及相變產(chǎn)生莫來(lái)石來(lái)改善材料的抗熱震性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及方案

本實(shí)驗(yàn)的主要原料為礬土、紅柱石、硅微粉和鋁酸鈣水泥。所用原料的主要化學(xué)組成見(jiàn)表1。

表1 原料的主要化學(xué)組成（w）Tab.1 Chemical compositions of raw materials(%)

按照表2配方組成進(jìn)行配料，具體是將骨料及粉料加入攪拌罐中，攪拌均勻后再加入水?dāng)嚢?min，然后制備成160mm×40mm×40mm的試樣。試樣經(jīng)110℃烘干后分別于1000℃、1300℃和1500℃保溫3h煅燒，分別測(cè)試含有不同粒度紅柱石的試樣經(jīng)過(guò)不同溫度熱處理后試樣的線變化率、體積密度、常溫抗折強(qiáng)度、常溫耐壓強(qiáng)度。制備Φ20mm×100mm的試樣，用于測(cè)試材料的熱膨脹系數(shù)。制備114mm× 114mm×25mm的試樣，用于測(cè)試材料的耐磨性。制備160mm×40mm×40mm的試樣，經(jīng)110℃烘干再經(jīng)1500℃保溫3h煅燒，用于測(cè)試材料的抗熱震性。

表2 配方組成(w)Tab.2 Composition of the gunning refractory(%)

表3 不同粒度紅柱石及熱處理溫度對(duì)試樣線變化率的影響（%）Tab.3 Effect of different particle sizes of andalusite and heat treatment temperatures on permanent linear change of specimens

1.2 性能測(cè)試

采用YB/T5200-1993致密耐火澆注料顯氣孔率和體積密度試驗(yàn)方法，YB/T5203-1993致密耐火澆注料線變化率試驗(yàn)方法，YB/T5201-1993致密耐火澆注料常溫抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，分別檢測(cè)燒成后試樣的體積密度、線性變化率、常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度。采用GB/T7320.1-2000耐火材料熱膨脹試驗(yàn)方法-頂桿法檢測(cè)試樣的熱膨脹系數(shù)。采用GB/T18301-2001耐火材料常溫耐磨性試驗(yàn)方法檢測(cè)試樣的常溫耐磨性。用游標(biāo)卡尺測(cè)定試樣的收縮量，并通過(guò)計(jì)算求得它的線性變化率及體積密度。用日本產(chǎn)CT-1000型抗折試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的常溫抗折強(qiáng)度。用日本產(chǎn)MS-20-S1型耐壓試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的常溫耐壓強(qiáng)度。用RPZ-03型高溫?zé)崤蛎泝x測(cè)試試樣的熱膨脹系數(shù)。用NM-2型耐磨試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的常溫耐磨性。用RZ-2A型高溫?zé)嵴鸱€(wěn)定性試驗(yàn)爐測(cè)試試樣的抗熱震性。實(shí)驗(yàn)工藝：將電爐升溫到1100±10℃保溫30min后，然后將試樣迅速放入電爐中，在1100℃保溫15min，使試樣從表面到心部受熱均勻后，將試樣取出，置于室溫循環(huán)水中快冷。試樣在水中冷卻3min后立即取出，在空氣中放置至室溫，重復(fù)3次，測(cè)量試樣殘余強(qiáng)度并計(jì)算耐壓強(qiáng)度保持率。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同粒度紅柱石對(duì)材料線變化率、體積密度的影響

表3示出了含有不同粒度紅柱石H1、H2、H3的試樣經(jīng)過(guò)不同溫度熱處理后的線變化率。由表3可以看出，試樣經(jīng)過(guò)110℃烘干后，三種試樣的線收縮率隨著紅柱石粒度的增大而略有增大，但變化不明顯，這說(shuō)明不同粒度的紅柱石對(duì)調(diào)整試樣干燥烘干后的線變化率無(wú)明顯作用。試樣經(jīng)過(guò)1000℃熱處理后，三組試樣的線收縮率幾乎無(wú)變化。試樣經(jīng)過(guò)1300℃熱處理后，試樣H1和H2的線收縮率相差不明顯，但與試樣H3相差明顯。試樣經(jīng)過(guò)1500℃熱處理后，試樣的線收縮率隨著紅柱石粒度的增大逐漸增大。含有粗粒度紅柱石的試樣在經(jīng)過(guò)高溫?zé)崽幚砗螽a(chǎn)生的收縮大，這是由于粗粒度的紅柱石分解生成莫來(lái)石的溫度要高于細(xì)粒度的紅柱石，因此添加粗粒度的紅柱石并不能有效彌補(bǔ)礬土基噴涂料經(jīng)高溫?zé)崽幚懋a(chǎn)生的收縮。

圖1 含有不同粒度紅柱石的試樣經(jīng)過(guò)不同溫度熱處理后的體積密度Fig.1 Bulk density of specimens with different particle sizes of andalusite after heat treatment at different temperatures

圖3 含有不同粒度紅柱石的試樣經(jīng)過(guò)不同溫度熱處理后的常溫耐壓強(qiáng)度Fig.3 Cold crushing strength of specimens with different particle sizes of andalusite after heat treatment at different temperatures

圖4 不同粒度紅柱石及熱處理溫度對(duì)試樣常溫耐磨性的影響Fig.4 Effect of different particle sizes of andalusite and heat treatment temperatures on abrasion resistance of specimens

圖1示出了含有不同粒度紅柱石H1、H2、H3的試樣經(jīng)過(guò)不同溫度熱處理后的體積密度。由圖1可以看出，試樣經(jīng)過(guò)110℃烘干后，以及經(jīng)過(guò)1000℃、1300℃和1500℃熱處理后，三種試樣的體積密度變化規(guī)律為B.D(H3)＞B.D(H2)＞B.D(H1)。這說(shuō)明在礬土基噴涂料中引入粗顆粒的紅柱石能夠提高材料的體積密度。其中H3試樣經(jīng)過(guò)1500℃熱處理后的體積密度顯著增加，這也是與其引入的粗粒度紅柱石相變?yōu)槟獊?lái)石的分解溫度較高有關(guān)，在此溫度下，紅柱石并不能充分分解轉(zhuǎn)變?yōu)槟獊?lái)石，材料產(chǎn)生較大的收縮（見(jiàn)表3），致密度增加，因此體積密度明顯增加。

2.2 不同粒度紅柱石對(duì)材料常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度的影響

圖2、圖3分別示出了含有不同粒度紅柱石H1、H2、H3的試樣經(jīng)過(guò)不同溫度熱處理后的常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度。由圖2中可以看出，試樣經(jīng)過(guò)1000℃熱處理后，H1試樣的常溫抗折強(qiáng)度略大。經(jīng)過(guò)1300℃熱處理后，三組試樣的常溫抗折強(qiáng)度相差不大。經(jīng)過(guò)1500℃熱處理后，H3試樣的常溫抗折強(qiáng)度最大。由圖3中也可以看出相似的變化規(guī)律。因此可以得出，不同粒度的紅柱石對(duì)礬土基噴涂料的強(qiáng)度影響不是很大，僅在經(jīng)過(guò)高溫1500℃熱處理后，含有粗粒度紅柱石的試樣的強(qiáng)度增加。這也與試樣經(jīng)過(guò)1500℃熱處理后有較大的線收縮（見(jiàn)表3）和較大的體積密度（見(jiàn)圖1）有關(guān)。

圖6 含有不同粒度紅柱石試樣熱震前后的常溫耐壓強(qiáng)度Fig.6 Cold crushing strength of specimens with different particle sizes of andalusite before and after thermal shocking

圖7 含有不同粒度紅柱石試樣的耐壓強(qiáng)度保持率Fig.7 Cold crushing strength retention of specimens with different particle sizes of andalusite

2.3 不同粒度紅柱石及熱處理溫度對(duì)材料常溫耐磨性能的影響

圖4示出了試樣經(jīng)過(guò)1300℃和150℃熱處理后磨損量（A）隨不同粒度紅柱石變化的關(guān)系曲線。由圖4可以看出，經(jīng)過(guò)1300℃和1500℃熱處理后隨著紅柱石粒度的增大，試樣的磨損量逐漸減小。這說(shuō)明粗顆粒的紅柱石更利于基質(zhì)與骨料的結(jié)合，當(dāng)磨損介質(zhì)沖蝕試樣表面時(shí)，基質(zhì)與骨料被磨損的程度較為均勻，磨損量要小一些。而引入細(xì)粒度紅柱石的試樣，由于基質(zhì)與骨料結(jié)合的不牢固，基質(zhì)部分容易被沖刷掉，留下裸露的骨料，使其磨損量增大。同時(shí)，還可以看出，試樣經(jīng)過(guò)1500℃熱處理后磨損量均小于試樣經(jīng)過(guò)1300℃熱處理后的磨損量。這是由于一方面燒結(jié)溫度的提高，促進(jìn)了材料的燒結(jié)；另一方面紅柱石轉(zhuǎn)化為莫來(lái)石的量相應(yīng)地增加，紅柱石分解轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的SiO2與礬土反應(yīng)形成的二次莫來(lái)石也相應(yīng)增加，因此提高了材料的耐磨性能。

2.4 不同粒度紅柱石及熱處理溫度對(duì)材料熱膨脹系數(shù)的影響

圖5示出了含有不同粒度紅柱石試樣的熱膨脹系數(shù)與熱處理溫度的關(guān)系曲線。由圖5可以看出，試樣的熱膨脹系數(shù)隨著紅柱石粒度的增大而增大。在200℃～450℃溫度之間，熱膨脹系數(shù)隨熱處理溫度的提高而減小。試樣在450℃～850℃之間，熱膨脹系數(shù)隨熱處理溫度的提高而增大。試樣在850℃～1000℃之間，熱膨脹系數(shù)隨熱處理溫度的提高而減小。這是由于隨著熱處理溫度的提高，試樣中逐漸形成液相，液相形成后，在表面張力作用下試樣顆粒之間的距離被拉近，導(dǎo)致材料整體的膨脹減小，因此在此溫度區(qū)間，材料的熱膨脹系數(shù)呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)。試樣在1000℃～1300℃之間，試樣的熱膨脹系數(shù)隨熱處理溫度的提高變化不大。試樣在1300℃～1400℃之間，試樣的熱膨脹系數(shù)隨熱處理溫度的提高而減小。根據(jù)理論[10]，熱膨脹系數(shù)低的材料對(duì)材料的抗熱震性能有利，因此，從理論上講，細(xì)粒度的紅柱石可以改善材料的抗熱震性能。

2.5 不同粒度紅柱石對(duì)材料抗熱震性能的影響

圖6示出了含有不同粒度紅柱石試樣H1、H2和H3經(jīng)過(guò)三次熱震前后的耐壓強(qiáng)度，圖7為相應(yīng)試樣的耐壓強(qiáng)度保持率。

由圖6可以看出，三組試樣中H3試樣經(jīng)過(guò)熱震后的殘余強(qiáng)度最大。但由圖7可以看出，三組試樣中H1的耐壓強(qiáng)度保持率最大。這可能是因?yàn)榻?jīng)過(guò)1500℃熱處理后細(xì)粒度的紅柱石轉(zhuǎn)化分解產(chǎn)生了最多的莫來(lái)石[11]，這些長(zhǎng)柱狀莫來(lái)石晶粒無(wú)序排布在材料內(nèi)部，任意一個(gè)長(zhǎng)柱狀晶粒都與周?chē)鄠€(gè)不同走向的長(zhǎng)柱狀組織相連接，彼此相互制約和加強(qiáng)。互相連接的長(zhǎng)柱狀顆粒能較好的抵抗由于熱震引起的裂紋的擴(kuò)展，此時(shí)裂紋會(huì)發(fā)生分支、偏轉(zhuǎn)、顆粒拔出，這些都使裂紋擴(kuò)展所需的能量提高。當(dāng)一個(gè)柱狀組織受力導(dǎo)致變形或開(kāi)裂時(shí)，必然受周?chē)渌鶢罱M織的限制與加強(qiáng)，此時(shí)表現(xiàn)為抗熱震性能的提高。

綜合考慮不同粒度的紅柱石對(duì)礬土基基噴涂料的線變化率、體積密度、常溫抗折強(qiáng)度、常溫耐壓強(qiáng)度、常溫耐磨性能、熱膨脹系數(shù)和抗熱震性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出：在本實(shí)驗(yàn)條件下，不同粒度的紅柱石對(duì)改善材料性能起著不同的作用，粗粒度的紅柱石可以提高材料的耐磨性能和高溫強(qiáng)度，而細(xì)粒度的紅柱石可以改善材料的抗熱震性能。

3 結(jié)論

（1）添加粗粒度的紅柱石并不能有效彌補(bǔ)礬土基噴涂料經(jīng)高溫?zé)崽幚懋a(chǎn)生的收縮。

（2）礬土基噴涂料的體積密度隨著紅柱石粒度的增大而增大。

（3）不同粒度的紅柱石未對(duì)礬土基噴涂料經(jīng)中溫?zé)崽幚砗蟮膹?qiáng)度產(chǎn)生明顯影響，粗粒度的紅柱石可以提高礬土基噴涂料的經(jīng)高溫?zé)崽幚砗蟮膹?qiáng)度。

（4）礬土基噴涂料的耐磨性能隨著紅柱石粒度的增大而提高。

（5）細(xì)粒度的紅柱石有利于改善礬土基噴涂料的抗熱震性能。

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