H2O2加入量对ρ-Al2O3结合刚玉浇注料抗爆裂性能的影响

2022-04-21王战民冯海霞曹迎楠许应顺

耐火材料 2022年2期

王欢王战民冯海霞曹迎楠柳军许应顺

中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司先进耐火材料国家重点实验室河南洛阳471039

以铝酸钙水泥为结合剂会引入CaO，影响浇注料的高温性能［1］，以ρ-Al2O3为结合剂则不存在这方面的问题［2］。但是，ρ-Al2O3的水化产物密度较低，容易堵塞气孔，导致浇注料的透气性能较差；同时，其水化产物在300～500℃急剧脱水形成大量水蒸气［3］。因此，ρ-Al2O3结合浇注料的抗爆裂性能较差。

目前，改善浇注料抗爆裂性能的主要方法是添加铝粉、有机纤维、偶氮甲酰胺和乳酸铝等防爆剂［4］。防爆剂在提高浇注料的抗爆裂性能的同时，也存在许多问题［5－9］：铝粉容易导致浇注体发生膨胀或开裂，且产生的氢气也有遇火燃烧、爆炸的风险；有机纤维在浇注料中难以分散均匀；偶氮甲酰胺容易导致浇注体内产生大量裂纹；乳酸铝会在浇注体中形成永久裂纹，影响浇注料的抗侵蚀性能。

H2O2在常温下能够自发分解成水和O2，是一种环境友好型发泡剂［10－11］。在本工作中，选用H2O2作为ρ-Al2O3结合刚玉浇注料的防爆剂，主要研究了H2O2加入量对浇注料抗爆裂性能的影响。

1 试验

1.1 原料

试验用主要原料为：粒度5～3、3～1和≤1 mm电熔白刚玉颗粒和粒度≤0.074 mm的电熔白刚玉细粉，d50＝1.198μm的活性α-Al2O3微粉，d50＝0.268 μm的SiO2微粉，w（H2O2）＝30%的过氧化氢溶液；d50＝2.4μm的ρ-Al2O3粉；减水剂为六偏磷酸钠。主要原料的化学组成见表1。

表1 主要原料的化学组成Table 1 Chem ical com position of starting materia ls

1.2 试样制备及检测

按表2配料。在料袋中用手预混2～3 min后，倒入搅拌锅中干混90 s，再加水湿混150 s，然后添加过氧化氢溶液搅拌15 s，混练好的料立即采用40 mm×40 mm×160mm、50mm×50mm×50mm和φ50mm×50 mm的模具振动120 s浇注成型。

表2 试样配比Table 2 Formulations of specimens

50 mm×50 mm×50 mm的浇注试样在室温下养护12 h后脱模，然后立即按GB/T 36134—2018依次在450、500、550、600、650、700、750、800℃由低到高进行抗爆裂试验，记录试样的爆裂温度和爆裂时间。组内两块试样均发生爆裂时，以较短爆裂时间作为该组试样的爆裂时间。在两组试样的抗爆裂温度相同时，爆裂时间长者抗爆裂性能较优。

其余浇注试样在室温下养护24 h后脱模，在110℃干燥24 h后，再在空气气氛中于1 400℃保温3 h烧成，同时测得试样的烧后线变化。然后按相关标准检测试样的显气孔率和体积密度（YB/T 5200—1993）、常温抗折强度（GB/T 3001—2007）、常温耐压强度（GB/T 5072—2008）、透气度（GB/T 3000—1999），采用压汞法检测试样的孔径分布。

将表2配比中5～3、3～1和≤1 mm粒级的白刚玉骨料去除，剩余粉料的配比不变（见表3），按上述同样工艺混练、成型后，在室温下养护24 h后脱模，在110℃干燥24 h制成无骨料试样，采用压汞法检测无骨料试样的孔径分布和孔结构参数。

表3 无骨料试样配比Table 3 Formulations of specimens w ithout aggregates

用扫描电子显微镜观察试样的显微结构。

2 结果与讨论

2.1 显微结构

1 400℃烧后试样H1、H3、H5的SEM 照片见图1。可以看出：三者中都有H2O2分解产生的圆形气孔；随着H2O2添加量的增加，试样中圆形气孔的孔径增大，数量增多。

图1 1 400℃烧后试样H1、H3、H5的SEM照片Fig.1 SEM im ages of specim ens H1，H3，and H5 fired at 1 400℃

2.2 透气性能

脱模、干燥和1 400℃烧后试样的透气度见表4。可以看出：1）随着H2O2加入量的增加，脱模、干燥和烧后试样的透气度均逐渐增大。H2O2加入量增多，其发泡产生的气孔增多增大，各气孔之间的平均距离缩短，使得气孔之间的连接变得通畅，透气度必然增大。2）随着H2O2加入量的增加，干燥后试样的透气度与脱模后试样的透气度之间的差值逐渐增大。这是因为，随着H2O2加入量的增加，试样的透气潜力增大。

表4 脱模、干燥和烧后试样的透气度Table 4 Air permeability of specimens after demoulding，drying or firing

2.3 孔径分布

干燥后无骨料试样的孔径分布见图2，孔结构参数见表5。从图2（a）可以看出：各试样的孔径微分分布的主峰都在0.1～2μm段，但加入H2O2试样的峰高较低并右移；并且，随着H2O2加入量的增加，试样h3、h4、h5在5～20μm段逐渐出现了一个明显的峰。从图2（b）可以看出：随着H2O2加入量的增加，累积分布曲线的位置逐渐升高，尤其在1～20μm段。从表5中可以看出：随着H2O2加入量的增加，试样的总孔容逐渐增大；总孔表面积呈先增大后减小的变化趋势；平均孔径先有所减小，后显著增大。分析认为：随着H2O2加入量的增加，H2O2发泡形成的气孔数量增多，总孔体积增大，总孔容增大。在H2O2加入量较少时，发泡形成的气孔孔径较小，气孔表面积随着气孔数量的增多而增大；但当H2O2加入量较多时，发泡形成的气孔因过多而聚集融合形成大气孔，在气孔总体积增大不太多的情况下，气孔表面积呈减小趋势。平均孔径则是由4倍总孔体积除以总孔表面积计算得出的。

图2 干燥后无骨料试样的孔径分布图Fig.2 Pore size distribution of specimens w ithoutaggregates after drying

表5 干燥后无骨料试样的孔结构参数Table 5 Pore structure parameters of specimens w ithout aggregates a fter drying

1 400℃烧后含骨料试样的孔径分布见图3。可以看出：未加H2O2的试样呈单峰分布，加入H2O2后，曲线呈双峰分布，且第二个峰的峰位不断向右移动，表明大孔径气孔的数量不断增加，平均孔径逐渐增加；但其分布曲线与无骨料试样的相比右移，表明其孔径比无骨料试样的大，这是因为骨料颗粒堆积形成的气孔较大。

图3 1 400℃烧后含骨料试样的孔径分布图Fig.3 Pore size distribution of specimens containing aggregates fired at1400℃

2.4 常规性能

脱模、干燥和烧后试样的致密度和烧后线变化率见图4。可以看出：随着H2O2加入量的增加，脱模、干燥和烧后试样的显气孔率逐渐增大，体积密度逐渐减小，1 400℃烧后线收缩率略呈增大趋势。

图4 脱模、干燥和烧后试样的体积密度、显气孔率和烧后线变化Fig.4 Bulk density，apparent porosity and permanent linear change on heating of specimens after demoulding，drying or firing

脱模、干燥和烧后试样的常温抗折强度和常温耐压强度见图5。可以看出：随着H2O2加入量的增加，脱模、干燥和烧后试样的常温抗折强度和常温耐压强度均逐渐减小。这是因为试样的强度与其致密度呈正相关。

图5 脱模、干燥和烧后试样的常温抗折强度和常温耐压强度Fig.5 Cold modulus of rupture and cold crushing strength of specimens after demoulding，drying or firing

2.5 抗爆裂性能

室温带模养护12 h后试样的抗爆裂试验结果见表6。可以看出：试样H0、H1、H2、H3、H4、H5的抗爆裂温度分别为450、500、500、550、650、750℃，基本上随H2O2加入量的增加而升高；试样H1、H2的抗爆裂温度虽然都是500℃，但试样H2的爆裂时间比H1的长，并且试样H2只有1块发生爆裂。由此可见，试样抗爆裂性能的排序为H5＞H4＞H3＞H2＞H1＞H0，即随着H2O2加入量的增加而增强。