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耐火材料行业知识

工业窑炉硅酸铝轻质高温保温隔热材料的制备

摘要:以硅酸铝活性粉体为胶结料,以二氧化硅为矿物质添加物,经物理发泡形成多孔泡沫型坯,干燥后高温煅烧,制备一种耐高温的轻质保温隔热材料。设计干密度为260kg/m?,材料基本配比及工艺为200g高铝耐火水泥,60g二氧化硅粉体,100mL水,水灰比0.5,定容体积1L,烧结温度1180℃,烧结时间2h。对烧结体进行了性能测试,测试结果表明,烧结体干密度268kg/m?,抗压强度4.2MPa,1000℃下导热系数0.06W/(m·K),吸水率3%,作为工业窑炉保温隔热材料性能优良。
耐火保温隔热材料一般用于工业炉窑、冶金、管道和热工设备中,以减缓热量的散失。目前,保温隔热材料主要有岩矿棉、玻璃棉、泡沫塑料、膨胀珍珠岩、硅酸铝纤维等5大类,除了泡沫塑料用于包装、建筑保温等领域,其他4类保温隔热材料均可用于工业窑炉,但基于这些材料普遍具有连通孔隙的微观组织特性,高温条件下的保温隔热性能并不十分理想。岩矿棉的最高使用温度为500℃,玻璃棉的最高使用温度为200℃,膨胀珍珠岩的最高使用温度为800℃。硅酸铝耐火纤维是目前发展最快,高温工业炉窑上应用最多的耐火纤维,其具有高温隔热、保温、耐火、降噪、绝缘及轻质等优点,其最高使用温度为1260℃,长期使用温度为950~1050℃,但抗压抗折力比较差,易产生粉尘,防水性能不太好,吸水率大,其连通孔隙不利于保温。
针对以上问题,本研究以硅酸铝活性粉体为胶结料,添加其他矿物原料,经物理发泡形成多孔泡沫型坯,高温煅烧后获得具有一定强度、干密度和吸水率低的耐高温轻质保温隔热材料。与其他材料体系相比,本试验所涉及的方法其优势在于:①窑炉耐热保温层可以一体成型,最大限度降低拼接缝的热能耗散;②与硅酸铝纤维相比,内部气孔为闭气孔,表现为吸水率低。
试验材料与方法
1.1原材料
硅酸铝活性粉体,800号高铝耐火水泥;二氧化硅粉体,粒径1μm;物理发泡剂,自制。
1.2试验方法
1.2.1材料制备
本试验采用最基础配比,具体制作步骤:①称取200g高铝耐火水泥,60g二氧化硅粉体,置于2000mL不锈钢容器中,加入100mL水,搅拌成浆体待用;②用压缩空气将物理发泡剂吹成细小泡沫待用;③逐次加入泡沫至水泥浆体,同时搅拌均匀,直至定容到1L的体积;④将搅拌好的泡沫浆体倒入模型中,用塑料薄膜密闭包裹,放入养护箱中进行养护,温度设定为37℃,养护时间为28天;⑤取出型坯自然晾干3天后,90℃烘干24h,再升温到120℃烘干24h;⑥烘干后型坯留部分样品待测,其余样品于1180℃煅烧2h,升温速率为2℃/min,降温为随炉冷却。
1.2.2测试方法
分别测定试块28d龄期和煅烧后的抗压强度和干密度,试验方法参照GB/T11969—2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》。导热系数测试方法参照GB/T10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》,采用设备为Dre-2C导热系数测试仪。吸水率具体试验方法参照GB/T11969—2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》,体积吸水率采用公式(1)计算,精确到0.1%。
采用XL-30EMSE型环境电子扫描显微镜对型坯和烧结体进行微观形貌的观察。采用DX-2700型X射线衍射仪对型坯和烧结体的组成进行物相分析。
结果与讨论
经测试,硅酸铝轻质高温保温隔热材料的干密度、抗压强度、导热系数和吸水率测试结果列于表1。
表1硅酸铝轻质高温保温隔热材料的干密度、抗压强度、导热系数和吸水率测试数据2.1干密度
影响干密度的因素有两点:固相物质质量和定容体积。这也是获得近似设计干密度的方法,即胶结料与矿物料在定容至1L时,理论上,其型坯或烧结体的干密度,数值上等于胶结料与矿物料的质量之和。
试验结果显示,型坯的干密度为285kg/m?,烧结体的干密度为268kg/m?,均高于其理论干密度260kg/m?,原因在于,胶结料在胶凝过程中发生水化反应,部分水成为固相的组成构成,使型坯的干密度高于理论干密度。高温烧结后,由于原料的纯度所限,原料中的水分和挥发物质、胶凝过程形成的结构水均被烧失,烧结体的干密度应低于理论干密度,但在烧结过程中发生一定的体积收缩,使得干密度增大,烧结体的干密度将取决于烧结过程中的质量损失和体积收缩的综合结果。
本次试验采用的矿物质辅助材料为二氧化硅,可被石墨、高岭土、玻璃微珠等取代或补充。当被石墨或玻璃微珠取代时,理论干密度可达到200kg/m?以下。
2.2抗压强度
作为高温保温隔热材料,对抗压强度的要求不似结构承重件的要求高,但具有一定的抗压强度是必要的。
型坯抗压强度主要来源于胶结料水化反应所产生的、以分子键为主形成的胶结强度,对于密实块体,其28d终凝强度可达43MPa,发泡后,由于大量气孔隔断了胶结料的分子联结,其抗压强度大为降低,换言之,型坯的抗压强度与干密度具有理论意义上的正相关。
相对于型坯,烧结体孔壁钝化光滑,呈现明显的玻璃化现象,微细孔尺寸减小,数量减少。衍射结果表明,烧结体中,二氧化硅衍射峰消失,推断应为二氧化硅由晶体转为玻璃相所致,但主要物相结构没有发现变化。
型坯在烧结过程中,发生一定程度的体积收缩,同时二氧化硅与部分胶结料反应形成玻璃相,从化学键的角度,物料组成成分之间部分分子键和氢键转化为陶瓷体所具有的离子键,相对于型坯,烧结体具有较高的抗压强度。
需要说明的是,这种细密气孔的存在,对裂纹扩展具有钝化作用,因此,此类材料具有良好的机械可加工性能。
2.3 吸水率与导热系数
试验测得型坯吸水率为50%,烧结体吸水率为3%,从吸水率的测定可以看出,烧结体的内部气孔,基本上为闭气孔,或者气孔之间为极细的通道,以至于毛细管力大于外部进入的水的压力,致使测试样品在浸泡水时,始终漂浮于水面,外部水分无法进入样品内部,不妨将这样的气孔形态称之为“类闭气孔”,这种“类闭气孔”形态相比连通气孔形态(硅酸铝纤维)具有更低的导热系数(硅酸铝纤维800℃时导热系数为0.159W/(m·K))是显而易见的。
试验测得型坯和烧结体导热系数分别为0.08和0.06W/(m·K),结合吸水率,烧结体导热系数的降低主要是由于气孔形态由型坯的开气孔转变为烧结体的闭气孔所致。
气孔的大小由气态胶泡沫大小决定,数量由气态胶的加入量决定,而气态胶加入量直接与干密度和抗压强度负相关,即气态胶加入量越大,干密度越低,抗压强度也越低,当气态胶加入量过大时,胶结料甚至无法凝结为固体。
泡沫材料导热系数的影响因素主要有两个方面:①固相物质(骨架)的导热系数;②气孔的特性(形态、数量、大小和分布)。为了降低导热系数,还应该合理选择矿物质添加物作为固相物质(骨架)的组成成分。此外,在满足干密度和导热系数的前提下,为了提高抗压强度,添加一些纤维增强材料也是可以考虑的。
结 论
1)用物理发泡方法制备一种硅酸铝轻质高温保温隔热材料,其工艺操作比较简单,理论干密度与实际测试值非常接近,工艺过程易于控制,生产重复性好,成本低。应用于工业窑炉可以整体浇注成形,减低了保温隔热砖堆砌必然存在的堆砌缝对保温隔热性能的可能影响。
2)材料物料基本配比及工艺为200g高铝耐火水泥,60g二氧化硅粉体,100mL水,定容体积1L,烧结温度1180℃,烧结时间2h,设计干密度260kg/m?。
3)所制备的材料烧结体干密度268kg/m?,抗压强度4.2MPa,导热系数0.06W/(m·K),吸水率3%,作为工业窑炉保温隔热材料性能优良。


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