Низкоцементные огнеупорные литьевые смеси сравниваются с традиционными алюминатными цементными огнеупорными литьевыми смесями. В традиционных алюминатных цементных огнеупорных литьевых смесях обычно добавляется 12-20% цемента, а количество воды – 9-13%. Из-за большого количества добавляемой воды литьевое изделие имеет много пор, неплотное и обладает низкой прочностью; из-за большого количества добавляемого цемента, хотя и достигается более высокая прочность при нормальных и низких температурах, прочность снижается из-за кристаллической трансформации алюмината кальция при средних температурах. Очевидно, что введенный CaO реагирует с SiO2 и Al2O3 в литьевой смеси, образуя некоторые низкоплавкие вещества, что приводит к ухудшению высокотемпературных свойств материала.
При использовании технологии ультрадисперсного порошка, высокоэффективных добавок и научного гранулометрического состава содержание цемента в огнеупорном материале снижается до менее 8%, а содержание воды — до ≤7%, что позволяет получить огнеупорный литьевой материал с низким содержанием цемента, содержание CaO в котором составляет ≤2,5%. Его эксплуатационные характеристики, как правило, превосходят показатели огнеупорных литьевых материалов на основе алюминатного цемента. Этот тип огнеупорного литьевого материала обладает хорошей тиксотропией, то есть смешанный материал имеет определенную форму и начинает течь при небольшом внешнем воздействии. После снятия внешнего воздействия он сохраняет полученную форму. Поэтому его также называют тиксотропным огнеупорным литьевым материалом. Самотекучий огнеупорный литьевой материал также называется тиксотропным огнеупорным литьевым материалом. К этой категории относятся и другие. Точное определение огнеупорных литьевых материалов с низким содержанием цемента до сих пор не определено. Американское общество по испытанию материалов (ASTM) определяет и классифицирует огнеупорные литьевые материалы на основе содержания в них CaO.
Плотность и высокая прочность — отличительные черты низкоцементных огнеупорных литьевых смесей. Это способствует увеличению срока службы и улучшению эксплуатационных характеристик продукта, но также создает проблемы при обжиге перед использованием, а именно, при неосторожном проведении обжига легко может произойти разлив. Явление разрыва литьевого полотна может потребовать как минимум повторного залива, а в тяжелых случаях может представлять опасность для окружающих рабочих. Поэтому в различных странах были проведены исследования обжига низкоцементных огнеупорных литьевых смесей. Основные технические меры включают: разработку рациональных кривых обжига и введение высокоэффективных взрывозащитных добавок и т.д., что позволяет обеспечить плавное удаление воды из огнеупорных литьевых смесей без каких-либо побочных эффектов.
Технология ультрадисперсных порошков является ключевой технологией для низкоцементных огнеупорных литьевых смесей (в настоящее время большинство ультрадисперсных порошков, используемых в керамике и огнеупорных материалах, имеют размер частиц от 0,1 до 10 мкм и в основном выполняют функции ускорителей дисперсии и структурных уплотнителей. Первый обеспечивает высокую степень диспергирования частиц цемента без флокуляции, а второй — полное заполнение микропор в литьевом материале и повышение прочности).
В настоящее время широко используются такие типы ультрадисперсных порошков, как SiO2, α-Al2O3, Cr2O3 и др. Удельная площадь поверхности микропорошка SiO2 составляет около 20 м2/г, а размер его частиц примерно в 100 раз меньше размера частиц цемента, поэтому он обладает хорошими заполняющими свойствами. Кроме того, микропорошки SiO2, Al2O3, Cr2O3 и др. могут также образовывать коллоидные частицы в воде. При наличии диспергирующего агента на поверхности частиц образуется перекрывающийся электрический двойной слой, создающий электростатическое отталкивание, которое преодолевает силы Ван дер Ваальса между частицами и снижает энергию межфазной границы. Это предотвращает адсорбцию и флокуляцию между частицами; в то же время диспергирующий агент адсорбируется вокруг частиц, образуя слой растворителя, что также повышает текучесть литьевого раствора. Это также один из механизмов действия ультрадисперсного порошка, а именно, добавление ультрадисперсного порошка и соответствующих диспергаторов может снизить водопотребление огнеупорных литьевых смесей и улучшить их текучесть.
Схватывание и затвердевание низкоцементных огнеупорных литьевых смесей является результатом совместного действия гидратационного и когезионного связывания. Гидратация и затвердевание алюминатного цемента кальция в основном обусловлены гидратацией гидравлических фаз CA и CA2 и процессом роста кристаллов их гидратов, то есть они реагируют с водой, образуя гексагональные чешуйки или игольчатые кристаллы CAH10, C2AH8 и продукты гидратации, такие как кубические кристаллы C3AH6 и гели Al2O3aq, которые затем образуют взаимосвязанную конденсационно-кристаллизационную сетевую структуру в процессе твердения и нагрева. Агломерация и связывание происходят за счет активного ультрадисперсного порошка SiO2, образующего коллоидные частицы при контакте с водой и медленно диссоциирующих ионов из добавленной добавки (т.е. электролитного вещества). Поскольку поверхностные заряды двух веществ противоположны, то есть на поверхности коллоида адсорбируются противоионы, это приводит к уменьшению потенциала и конденсации, когда адсорбция достигает «изоэлектрической точки». Другими словами, когда электростатическое отталкивание на поверхности коллоидных частиц становится меньше притяжения, происходит образование когезионных связей с помощью сил Ван дер Ваальса. После конденсации огнеупорного литьевого материала, смешанного с порошком диоксида кремния, группы Si-OH, образовавшиеся на поверхности SiO2, высушиваются и обезвоживаются, образуя мостиковые связи и формируя сетевую структуру силоксана (Si-O-Si), что приводит к затвердению. В сетевой структуре силоксана связи между кремнием и кислородом не уменьшаются с повышением температуры, поэтому прочность также продолжает увеличиваться. В то же время, при высоких температурах сетевая структура SiO2 будет реагировать с заключенным в ней Al2O3, образуя муллит, что может повысить прочность при средних и высоких температурах.
Дата публикации: 28 февраля 2024 г.
