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1、铝硅磷质胶凝材料结合耐火浇注料的制备及性能研究No.4V01.27陕西科技大学学报JoURNALOFSHAANXIUNIVERSITYOFSCIENCE&TECHNOIOGYAu吕2009?35?文章编号:10005811(2009)04003503铝硅磷质胶凝材料结合耐火浇注料的制备及性能研究钟明峰,张志杰,周新涛(华南理工大学材料科学与工程学院,广东广州510640)摘要:探讨了采用偏高岭土基磷酸盐胶凝材料作粘结剂用于硅酸铝质耐火材料的制备及其高温性能,采用XRD,SEM等测试方法研究了偏高岭土,锆英石对硅酸铝质耐火材料性能的影响.研究结果显示:当偏高岭土的掺量为15时,在1300
2、下处理3h后其抗压强度可达79.4MPa,并且其线收缩率仅为O.1,具有较好的高温稳定性;用少量的锆英石替代铝矾土熟料可提高材料的高温性能,当其掺量达到9时,在1300下热处理后材料的抗压强度达到96.8MPa.关键词:铝硅磷质;胶凝材料;偏高岭土;锆英石;耐火浇注料中图分类号:TQ172文献标识码:A0引言在2O世纪8O年代,磷酸盐的高温粘接特性在耐火材料,炼铁,水泥,玻璃等领域中得到了广泛的应用,用于砌筑和修补炉体和烟道.磷酸盐粘结剂在常温下并不与硅酸铝质耐火基料反应,为了获得一定的常温强度,通常需添加适量的促凝剂.在传统制备工艺中,通常采用高铝水泥为促凝剂,而其给耐火材料体系带入了碱土金
3、属离子,从而降低了其高温性能.因为对于Al.03一Si02一CaO的多元体系,1300左右即可出现液相,降低材料的热态强度和荷重软化温度.AlzO.-SiO2系的浇注料要限制铝酸钙水泥的加入量,以减少或避免CaO的不利影响1.本文采用偏高岭土基磷酸盐胶凝材料作粘结剂,并复合铝矾土熟料,锆英石等耐高温基料,制备出高温性能优异的耐火材料.表1铝矾土熟料的化学组成/1实验部分Si02A1203Fe203Ti025.189.31.33.62CaOMgOK2ONa2O0.110.250.42O.O9在本实验过程中,选用铝矾土熟料作耐火基料,其化学组成见表1.另外,在实验中用到的原料还有偏高岭土,氧化锆,
4、磷酸铝二氢溶液.用日本理学D/max-II型全自动X-射线衍射仪测度材料的晶相组成.测试条件:CuKa靶,石墨单色器,电压为30kV,电流为3OmA,扫描速度为0.2/min,扫描范围5.9O.用日立S-570型扫描电镜观察样品的微观形貌和颗粒大小.2实验结果与讨论2.1偏高岭土的掺入量对材料性能的影响偏高岭土的加入可以起到两方面的作用:(1)偏高岭土具有一定的活性,其在常温下可以与磷酸二氢*收稿日期:2O0gO522作者简介:钟明峰(1976一),男,福建省永定市人,讲师,博士,研究方向:生态环境材料,无机非金属材料基金项目:广东省科技计划项目(2008A030202006)?36?陕西科技
5、大学学报第27卷表2不同偏高岭土掺量实验方案表3不同偏高岭土掺量对材料性能的影响K1K2K3K4自然养护3d5.428.367.418.1抗压强度11010h15.736.169.138.4/Ma1000.C3h10.457.475.633.81300X3h13.665.379.445.6譬线,130o一1.o8一o.83一o.141.95变化/图11300热处理3h后样品的XRD谱图铝反应得到胶凝材料,所以可用其代替铝酸盐水泥作铝硅质耐火材料的促凝剂;(2)代替硅微粉起到填充作用.活化后的偏高岭土其中位径仅为1.80m,其完全符合超微粉的粒度范围.同时为了考察其与铝酸盐水泥作促凝剂对材料热性
6、能影响之差别,采用耐火粉料69/6的量添加高铝水泥,浇注一个样进行对比.由表2和表3可知,当偏高岭土的用量增加到15时,其强度快速增长,其可以与磷酸盐反应生成大量的胶凝相,从而形成较充分的强度.110下处理10h后,所有试样的强度都有所升高,特别是偏高岭土加入量过小的试样其强度增长幅度较大,这主要是由于在常温下有较多的磷酸二氢铝未参与反应,在110下脱水转化成无定形相的焦磷酸盐,起到了粘结的作用.1300下处理3h后,各试样抗压强度均有不同程度的增加,煅烧后试样中磷酸铝结晶形成鳞石英型的磷酸铝晶体,并有部分莫来石生成,起到了增强作用,如图1所示.根据Mamykin等人的研究,在此温度下,无定形
7、相的SiO2可以与PzOs反应生成少量的单斜晶形的焦磷酸酸硅晶体_5,同样在晶型转变过程中对试样起到了一定的膨胀作用,抵消了试样的体积收缩.1370热处理3h后,在高铝水泥样品的表面及棱角处有大量的熔融物出现,并且表面有大量污点和鼓泡,说明用高铝水泥作硅酸铝质磷酸盐耐火浇注料的促凝剂其耐火度较低.而用偏高岭土基磷酸盐胶凝材料粘结的硅酸铝质耐火浇注料在1370热处理后,其表面外形保持完好,表面光滑平整.表4不同锆英石掺量实验方案综上所述,在磷酸盐结合高铝质耐火材料的制备.铝矾土熟料锆英石偏高岭土磷酸二氢铝过程中,偏高岭土的掺量为15时其3d常温抗压强度可达67.4MPa,1300下处理3h后其抗
8、压强度z18g可达79.4MPa,且其线收缩率仅为0.1,具有较好的高温性能和结构稳定性._石i磊2?2锆英石的掺加对材料性能的影响_-一本实验用少量的锆英石原料取代铝矾土熟料考察_=_二=其力学性能及热性能的变化,实验方案如表4所示?抗压强度1.0o3h79.485.392.7由表5实验结果可知,锆英石的掺加对材料常温1300X3h82.989.796.8下的抗压强度并没有多大的影响,其增幅较小,但是对烧后线变化/1300X3h一0.100.050.O1其高温处理后力学性能的影响较为明显.当锆英石掺抗热震性/次800,水冷>6o>6o>6o量为9时,其1300热处理后的抗压
9、强度达到96.8耐火度/.C152015901680MPa,远远高于未掺加锆英石时的79.2MPa.随着锆英石的掺量从3增加到9,其相应的复合材料的耐火度从1490.C升高到1680.C,其1300烧后线变化率也有一定幅度的下降,说明其具有较好的热稳定性.从1300热处理后样品的SEM谱图(图2)可见,未添加锆英石时在材料内部由于磷酸铝晶体的分解形成了大量的空隙,而随着其掺量的增加,其结构密实度逐渐得到改善,当其掺量为9时几乎看不第4期钟明峰等:铝硅磷质胶凝材料结合耐火浇注料的制备及性能研究?37?到其结构中的空隙.3结论(1)当偏高岭土的掺量为15时,其3d常温抗压强度可达67.4MPa,抗
10、折强度为7.4MPa.1300下处理3h后,其抗压强度可达79.4MPa,且其线收缩率仅为0.1,具有较好的高温稳定性.(2)通过用少量的锆英石替代铝矾土熟料可以提高材料的高温性能,当其掺量达到9时,在1300下热处理后材料的抗压强度达到96.8MPa,且其线收缩率仅为0.01.参考文献(a)(b)EliKarpukhinI.A,Vladimirovv.S,MoizisSEAmechanismforphosphatehardeningandprospectsfortheuseofmetalphosphatematerials(areview).PartI.Thenatureofhydrogen
11、toriesandIndustria1Ceramics,2005,46(3):180186.(c)(d)图2不同锆英石掺量对1300热处理后样品微观结构的影响(a)O%;(b)3%;(c)6;(d)9%bondinganditsfunctioninthemechanismofphosphatehardening-J.RefracE22KarpukhinI.A,VladimirovV.S,MoizisS.E.Amechanismforphosphatehardeningandprospectsfortheuseofmetalphosphatematerials(anovereview).Part
12、.Adhesiveproperitiesofbindingphosphatematerialsi-J.RefractoriesandIndustrialCeramics,2005,46(5):329-332.I-3韩行禄.不定形耐火材料EM.北京:冶金工业出版社,2004:110.4徐平坤,魏国钊.耐火材料新工艺技术I-M.北京:冶金工业出版社,2005:201.5MamykinPS,FlyaginFG,Ustayantsevv_M.Interactionofkaolinitewithphosphatebindersandtheireffectofthephasetransitionincry
13、stallinequartziteJ.Refractories,1973,14(9):563568.SYNTHESISANDPROPERTIESOFCASTABLEREFRACToRYBoNDEDBYPHoSPHATECEMENTBASEDoNMETAKAoLINZHONGMing-feng,ZHANGZhi-jie,ZHOUXintao(SchoolofMaterial5ScienceandEngineering,SouthChinaUniverMtyofTechnology,Guangzhou510640,China)Abstract:Theunshapedcastablerefracto
14、rybondedbyphosphatecementbasedonmetakaolinwasprepared.PowderX-raydiffraction,scanningelectronmicroscopywereappliedtoinvestigatetheeffectofaddingmetakaoliniteandzircononthepropertiesofthecastablerefractory.TheresultshowedthatwhentheamountofmetakaolinteiS159/6,thecompressivestrengthofcastablerefractor
15、ywas79.4MPaandthelinearshrinkagewas0.10Aafertreatmentat1300for3h.Smal1amountzirconwillimprovethepropertiesofcastablerefractory,whentheamountofzirconis9,thecompressivestrengthofcastablerefractorywas96.8MPaandthe1inearshrinkagewasonly0.01aftertreatmentat1300for3h.Keywords:phosphatecement;metakaolinite;zircon;castablerefractory