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颗粒组成对刚玉质弥散型透气砖性能的影响

2022-10-19苏玉庆朱业宁郁柏松席子建魏军从涂军波张厚兴王义龙

耐火材料 2022年5期
关键词:气孔率抗折耐压

苏玉庆 朱业宁 郁柏松 席子建 魏军从涂军波 张厚兴 王义龙

1)华北理工大学河北省无机非金属材料重点实验室 河北唐山063210

2)唐山市国亮特殊耐火材料有限公司 河北唐山063000

透气砖按结构可分为直通定向型、狭缝定向型、弥散型和复合型[1],各有其优缺点[2]。其中,弥散型透气砖弥散分布的气孔可有效避免砖芯断裂、渗钢、底吹不良等现象,使用寿命长[3];并且它在实际使用过程中会产生大量弥散的小气泡,对夹杂物的吸附效果更优[4]。但是,为保证弥散型透气砖的透气性能,其显气孔率一般在25%~30%,且气孔尺寸较大,导致其强度较低,抗冲刷能力差[4]。丁钰等[5]采用机压成型方法压制成刚玉质弥散型透气砖试样,结果表明当粗颗粒(1~0.5 mm)、中颗粒(0.5~0.3 mm)、细颗粒(<0.074 mm)的质量比为57∶29∶12时,材料的物理性能最佳。贾高洋等[6]以粒度为1.25~1、0.5~0.3和0.2~0.09 mm的电熔白刚玉为骨料,以广西白泥、氧化铝微粉、氧化铬微粉为细粉,制备了弥散型刚玉质透气砖,发现大颗粒(1.25~1 mm)与中颗粒(0.5~0.3 mm)质量比为30∶60时其综合性能较好。丰文祥等[7]研究认为,对于形状不太规则且砖型较大的弥散型透气砖,宜采用浇注成型。

为了进一步改善弥散型透气砖的性能,在本工作中,依据Andreasen分布方程[8-9],研究了配料的颗粒组成对刚玉质弥散型透气砖性能的影响。0*

1 试验

1.1 原料与试样制备

原料有:1~0.15、≤0.15 mm的板状刚玉为骨料,≤0.044 mm的板状刚玉、d50=3 μm的α-Al2O3微粉作为基质,外加R1减水剂,Secar 71水泥为结合剂。各原料的化学组成见表1。以Andreasen分布方程作为参考:

式中:D为颗粒尺寸,mm;DL为最大颗粒尺寸,mm;CPFT为直径<D的颗粒累积百分数;q为分布指数。通过改变q的取值设计了粒度组成不同的9种试样,具体配料组成见表2。

按表2配料。干混60 s后加水6%(w)湿混120 s搅拌均匀,振动浇注成40 mm×40 mm×160 mm的试样,自然养护24 h后脱模,于110℃烘干24 h,再经1 600℃保温4 h烧成。

表1 原料的化学组成

表2 配料组成

1.2 性能检测

按照GB/T 2997—2015检测烧后试样的体积密度和显气孔率,按照GB/T 5988—2007检测试样的加热永久线变化,按照GB/T 3001—2017、GB/T 5072—2008测定烧后试样的常温抗折强度和常温耐压强度,按照GB/T 3002—2017测定试样高温抗折强度(测试温度1 450℃,测试时间1 h),按照GB/T 3000—2016测定试样的透气度,用扫描电子显微镜(SEM)观察烧后试样的显微结构。

2 结果与讨论

2.1 常规性能

不同q值的试样经1 600℃保温4 h烧后,其体积密度与显气孔率、常温抗折强度与常温耐压强度、加热永久线变化及高温抗折强度见图1。

图1 不同q值的试样经1 600℃保温4 h烧后的常规性能

由图1(a)可知,随着q值的增加,试样经1 600℃保温4 h烧后,其体积密度先增大后减小,显气孔率先减小后增大,当q值为0.33时体积密度最大,显气孔率最小。由图1(b)可知,随着q值的增加,烧后试样的常温抗折强度和常温耐压强度均先增大再减小,当q值为0.33时的常温抗折强度和常温耐压强度最大。由图1(c)可知,随着q值从0.21增加到0.53,试样的加热永久线变化从大约-1.7%逐渐增大至大约0.5%,即从收缩约1.7%逐渐变化至膨胀约0.5%;当q取值在0.49~0.53时,烧后试样呈现膨胀,线膨胀率随q值的增大而增大。分析认为:1)q值从0.21增至0.33的过程中,颗粒堆积逐渐趋于最紧密堆积,因此试样的致密度和强度均逐渐增大;q值从0.33增至0.53的过程中,颗粒堆积又开始偏离最紧密堆积,因此试样的致密度和强度均逐渐减小。2)随着q值的增大,细粉量减少,对烧结收缩起主导作用的细粉颗粒之间的烧结收缩减小,因此试样的烧结收缩减小。此外,从图1还可以看出,q值为0.21 或0.25时,由于细粉量太大,细粉颗粒之间的结合界面增多,可能出现的结合缺陷也增多,因此对缺陷敏感的常温抗折强度较低;根据表1和表2,烧后试样的物相组成应该差别不大,试样的高温抗折强度与其常温抗折强度高度相关。

2.2 透气度和显微结构

不同q值的试样经1 600℃保温4 h烧后的透气度见图2。可以看出:当q值≤0.33时,烧后试样的透气度相差不大,均≤0.6 Nm3·h-1;随着q值从0.33增大至0.53,烧后试样的透气度逐渐增大。

图2 不同q值的试样经1 600℃保温4 h烧后的透气度

透气度同时受试样的气孔率和气孔尺寸控制。q值分别为0.21、0.33、0.49的烧后试样的BSE照片见图3。可以看出:q值为0.21和0.33的试样中,骨料孤立分布在基质中,气孔主要是基质粉料烧结后留下的较小(<10 μm)的气孔。虽然这两个试样的显气孔率比其他试样低不了多少,但由于气孔孔径较小,对气体的透过阻力较大,因此它们的透气度较小(约0.5 Nm3·h-1)。q值为0.49的试样中,骨料较多,并且构成了连续的骨架;而骨料之间的空隙中的基质量很少,未能较好地填充骨料之间的空隙,导致骨料之间存在较多并且较大的气孔。因此,q值为0.49的试样的透气度较大,约2.8 Nm3·h-1。

图3 不同q值时烧后试样的BSE图像

由图3可知,当q值从0.21增至0.33的过程中,试样显气孔率逐渐下降,且气孔尺寸均<10 μm,气孔尺寸过小,不能保证气体顺利通过;q值从0.33增至0.53的过程中,显气孔率逐渐升高,且气孔尺寸在50~100 μm的数量逐渐增多,透气度随显气孔率的升高而升高。

经比较,在本试验中,q值为0.49时试样的综合性能较优,其显气孔率、常温耐压强度、常温抗折强度、高温抗折强度、透气度分别为25.6%、67.1 MPa、20.9 MPa、9.4 MPa、2.8 Nm3·h-1。

3 结论

(1)q值从0.21增至0.33的过程中,烧后试样的显气孔率降低,体积密度、常温抗折(耐压)强度以及高温抗折强度均升高,透气度均≤0.6 Nm3·h-1。

(2)q值从0.33增至0.53的过程中,烧后试样的显气孔率升高,体积密度、常温抗折(耐压)强度、以及高温抗折强度均降低,气孔尺寸较大,透气度逐渐变好。

(3)当q值为0.49时,烧后试样的综合性能较优。其显气孔率、常温耐压强度、常温抗折强度、高温抗折强度、透气度分别为25.6%、67.1 MPa、20.9 MPa、9.4 MPa、2.8 Nm3·h-1。

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