Эвалюцыя вогнетрывалых матэрыялаў
Пастаяннае развіццё прамысловых тэхналогій прывяло да росту попыту на высакаякасныя мікрапарашкі ў матэрыялазнаўстве. У вогнетрывалай прамысловасці традыцыйныя цэментна-звязаныя ліцейныя матэрыялы даўно сутыкаліся з сур'ёзнымі недахопамі, у тым ліку з высокай сітаватасцю, друзлай структурнай цэласнасцю і недастатковай механічнай трываласцю. Гэтыя абмежаванні зрабілі распрацоўку перадавых вогнетрывалых ліцейных матэрыялаў тэрміновай неабходнасцю.
З'яўленне і прымяненне тэхналогія ультратонкага парашка бясспрэчна каталізавалі прагрэс вогнетрывалых матэрыялаў. Сярод розных дабавак, актыўны дыяксід крэмнію (SiO₂) і Мікрапарашок α-Al₂O₃ найбольш шырока выкарыстоўваюцца ў вогнетрывалых адлівах, за імі ідуць SiC, парашок з высокім утрыманнем гліназёму, белы плаўлены гліназём, карычневы плаўлены гліназём, цырконій і парашкі шпінелі. Даданне гэтых мікрапарашкоў значна паляпшае апрацоўвальнасць і эксплуатацыйныя характарыстыкі адлівак, асабліва ў дачыненні да павелічэння трываласці.
Тэхналогія ультратонкага парашка з'яўляецца краевугольным каменем для нізкацэментных, ультранізкацэментных і бесцэментных вогнетрывалых ліццяў. У прамысловасці класіфікацыя звычайна вызначаецца парогавым памерам часціц 5 мкмчасціцы ≤5 мкм класіфікуюцца як ультратонкие парашкі, а тыя, што >5 мкм, называюцца мікрапарашкі. Сярод іх найбольш папулярнымі варыянтамі застаюцца дыяксід крэмнію і мікрапарашок α-Al₂O₃.
Уплыў ультратонкіх парашкоў на характарыстыкі вогнетрывалых матэрыялаў вельмі значны. Правільны выбар і аптымальная дазоўка гэтых парашкоў маюць непасрэднае значэнне для канчатковых эксплуатацыйных характарыстык нізкацэментных цэментаў.
Пераадоленне абмежаванняў традыцыйнага цэментнага злучэння
Добра вядома, што традыцыйныя цэментныя жалезабетоны дасягаюць дастатковай трываласці на халоднае сцісканне дзякуючы высокаму ўтрыманню цэменту. Аднак пры прамежкавых тэмпературах крышталічнае фазавае ператварэнне цэменту выклікае рэзкае зніжэнне трываласці. Акрамя таго, цэмент уводзіць 3–10 мас.% % CaO у сістэму. Гэты CaO рэагуе з SiO₂ і Al₂O₃, якія прысутнічаюць у ліцейным матэрыяле, утвараючы фазы з нізкай тэмпературай плаўлення, такія як анартыт (CAS₂) або геленіт (C₂AS) . Гэтыя фазы значна пагаршаюць трываласць у награвальных умовах і каразійную ўстойлівасць матэрыялу пры высокіх тэмпературах.
Увядзенне ультратонкие парашкі і высокаэфектыўныя суперпластыфікатары кардынальна пераадольвае гэтыя праблемы. Аптымізуючы ўпакоўку часціц і зніжаючы спажыванне вады, мы можам распрацоўваць нізкацэментныя, ультранізкацэментныя і нават бесцэментныя ліцця з выдатнымі тыксатропнымі ўласцівасцямі і стабільнай трываласцю пры сярэдніх тэмпературах. Гэтыя перадавыя матэрыялы зараз шырока выкарыстоўваюцца ў металургіі, будаўнічых матэрыялах, нафтахіміі і вытворчасці электраэнергіі, дасягаючы выдатных вынікаў абслугоўвання.
Асноўныя механізмы: напаўненне і змазка
Механізмы, з дапамогай якіх ультратонкія парашкі паляпшаюць характарыстыкі вогнетрывалых матэрыялаў, складаныя, але ў аснове іх ляжаць два асноўныя фізічныя эфекты: начынне і змазка.
- Эфект запаўненняУльтратонкія часціцы запаўняюць пустэчы паміж буйнымі запаўняльнікамі і дробнымі матрычнымі парашкамі. Гэта ўшчыльненне памяншае патрэбу ў вадзе для ліцця. Пасля сушкі і абпалу застаецца менш пор, што прыводзіць да больш высокай аб'ёмнай шчыльнасці і меншай бачнай парыстасці. Гэта непасрэдна паляпшае структурную трываласць і агульныя характарыстыкі матэрыялу.
- Эфект змазкіДзякуючы высокай павярхоўнай энергіі, ультратонкія часціцы адсарбуюць дысперсанты на сваёй паверхні, утвараючы гідратацыйную плёнку. Гэтая плёнка забяспечвае змазвальнае дзеянне паміж часціцамі, значна павялічваючы цякучасць ліцця і паляпшаючы яго характарыстыкі фармавання і ўкладкі.
Дыяксід крэмнію (звыштонкі парашок SiO₂) у вогнетрывалых ліццях
Крыніцы і фізічныя характарыстыкі
У цяперашні час у вогнетрывалых адлівах выкарыстоўваюцца два асноўныя тыпы ультратонкага парашка SiO₂:
- Парашок, атрыманы з высакаякаснага кварца (неактыўны, грануляваны).
- Парашок, які вырабляецца ў выглядзе пабочны прадукт вытворчасці металічнага крэмнію або ферасіліцыю.
Другі тып найбольш распаўсюджаны. Ён складаецца з аморфныя, полыя сферычныя часціцы з высокай рэакцыйнай здольнасцю. Гэтыя сферы не лёгка агламеруюцца і валодаюць выдатнымі напаўняльнымі ўласцівасцямі.
Механізмы дзеяння: ад сіланолу да муліту
Пасля ўключэння ў ліцейную масу паверхня дыяксіду крэмнію ўтварае сіланольныя групы (Si-OH) пры гідратацыі. Падчас высыхання гэтыя групы дэгідратуюцца і ўтвараюць масткі, ствараючы стабільную сілоксановая сетка (Si-O-Si) . Гэтая сетка вельмі ўстойлівая да разбурэння пры падвышаных тэмпературах, што эфектыўна павышае трываласць ліцця пры сярэдніх тэмпературах.
Пры больш высокіх тэмпературах рэакцыйны SiO₂ у дыме рэагуе з Al₂O₃, які прысутнічае ў высокагліназёмістых вогнетрывалах, з утварэннем муліт (3Al₂O₃·2SiO₂) . Гэтая рэакцыя мулітызацыі вельмі карысная для павышэння трываласці матэрыялу ў гарачым стане. Такім чынам, дыяксід крэмнію шырока выкарыстоўваецца ў нізкацэментных, звышнізкацэментных і бесцэментных ліццях.
У спалучэнні з адпаведным дысперсантам дыяксід крэмнію забяспечвае выдатны эфект памяншэння воданепранікальнасці. Яго дробная сферычная марфалогія дазваляе яму запаўняць мікраскапічныя пары, куды не могуць дабрацца буйныя часціцы. Гэта памяншае колькасць пор, якія застаюцца пасля высыхання, непасрэдна павялічваючы трываласць. Адначасова калоідныя часціцы дыяксіду крэмнію ў вадзе адсарбуюць дысперсанты, утвараючы пласт растваральніка, значна паляпшаючы рэалагічныя ўласцівасці і характарыстыкі ліцця адліўкі.
Аптымальная дазоўка і практычныя меркаванні
Нягледзячы на карысць, дазоўку дыяксіду крэмнію неабходна строга кантраляваць. Перавышэнне пэўнага парога прыводзіць да рэзкага павелічэння глейкасці сістэмы. Гэта адбываецца таму, што прадукты гідратацыі SiO₂ падвяргаюцца далейшай палімерызацыі, павялічваючы малекулярны аб'ём і супраціў ламінарнаму патоку.
Даследаванне, праведзенае Лі Сяамінам і інш. на ліцейных матэрыялах, звязаных з дапамогай дыяксіду крэмнію, дае каштоўную інфармацыю. У іх даследаванні памер часціц дыяксіду крэмнію складаў <1 мкм (пры ~60% менш за 0,15 мкм), а ўдзельная плошча паверхні складала 2 × 10⁵ см²/г. Яны пратэставалі ўзоры з дадаткамі дыяксіду крэмнію ў дыяпазоне ад 3 да 15 wt%.
- СілаМодуль пругкасці пры разрыве ў халодных умовах (пасля сушкі) і трываласць на халоднае сцісканне павялічваліся з утрыманнем дыяксіду крэмнію, дасягаючы піка прыблізна пры 12 wt%, пасля чаго яны адмовіліся.
- Парыстасць і шчыльнасцьЯк бачная парыстасць, так і аб'ёмная шчыльнасць памяншаліся па меры павелічэння ўтрымання дыяксіду крэмнію.
Улічваючы фазавы склад (пазбягаючы празмернага ўтрымання кварца), трываласць і агульныя характарыстыкі, даследчыкі вызначылі, што аптымальны ўзровень дадання складае прыблізна 5 wt%.
Практычныя парады па ўжыванні:
- Кантроль вадыЗ-за выдатнага водазберагальнага эфекту, даданне вады павінна строга кантралявацца (звычайна 5-6 мас.% ...
- Час змешванняДля поўнага развіцця тыксатропных уласцівасцей неабходна дастатковае змешванне. Звычайна час змешвання складае не менш за 5 хвілін.
- Графік сушкіПаколькі ультратонкія часціцы запаўняюць большасць пор, ліццё становіцца вельмі шчыльным. Для прадухілення выбуховага адслойвання рэкамендуецца больш павольны графік сушкі.
Ужыванне ў ліцейных матэрыялах на аснове MgO
Ультратонкі парашок SiO₂ таксама выдатна прадэманстраваў свае характарыстыкі ў ліцейных матэрыялах на аснове MgO. Ён значна памяншае гідратацыю часціц MgO, тым самым мінімізуючы парашковае ўтварэнне і расколіны падчас працэсу абпалу. Акрамя таго, ён забяспечвае добрую рэалогію.
Шлакаўстойлівасць ліцця на аснове MgO мае вырашальнае значэнне для тэрміну службы. Матрыца, якая складаецца з дыяксіду крэмнію і парашка магнезіі, адыгрывае ключавую ролю ў каразійнай устойлівасці. Даследаванні Вэй Яову і Лі Нана паказваюць, што:
- Супраціўленне пранікненню шлаку ў ліштвы на аснове MgO паляпшаецца са павелічэннем утрымання дымкрэмнію.
- Аднак аптымальная дабаўка для каразійнай стойкасці складае прыблізна 3 wt%. На гэтым узроўні абпаленая порыстасць нізкая, тэмпература ліквідусу матрыцы высокая, а колькасць лёгкаплавкіх фаз, якія ўтвараюцца ў выніку рэакцыі са шлакам, мінімізавана. Як недастатковая, так і празмерная колькасць дыяксіду крэмнію негатыўна ўплывае на каразійную стойкасць.
Мікрапарашок α-Al₂O₃ у вогнетрывалых адлівах
Агульныя ўласцівасці і перавагі
Мікрапарашок α-Al₂O₃ атрымліваецца шляхам абпалу прамысловага аксіду алюмінію. Ён характарызуецца выдатнай дыспергаванасцю, дробным памерам часціц, лёгкай спякальнасцю пры высокіх тэмпературах і мінімальным аб'ёмным эфектам.
Даданне мікрапарашка α-Al₂O₃ да цэментных ліццяў значна ўплывае на працаздольнасць і эксплуатацыйныя характарыстыкі. Яно выконвае дзве асноўныя функцыі:
- Вогнетрываласць і фазавая рэакцыяПавышае вогнетрываласць ліцця і спрыяе керамічнай сувязі і мулітызацыі пры высокіх тэмпературах.
- Запаўненне і ўшчыльненнеЗапаўняе пары, памяншае структурныя дэфекты, павышае трываласць і павышае каразійную ўстойлівасць шлаку.
Недахоп празмернага дадання
Аднак празмерная колькасць мікрапарашка α-Al₂O₃ зніжае цякучасць ліцця. Калі дабаўка перавышае пэўную мяжу, трываласць мае тэндэнцыю да зніжэння. Гэта адбываецца таму, што лішак Al₂O₃ пераважна рэагуе з цэментам, утвараючы фазы CA₂ і CA₆ (алюмінаты кальцыя). Гэтыя рэакцыі спажываюць вялікую колькасць Al₂O₃ у матрыцы і суправаджаюцца шкоднымі ўмовамі. пашырэнне аб'ёму. Гэтае пашырэнне прыводзіць да структурных дэфектаў пасля апрацоўкі пад высокай тэмпературай, што прыводзіць да зніжэння трываласці.
Унікальная гідратацыя ρ-Al₂O₃: пераломны момант
Аксід алюмінію існуе ў розных крышталічных формах, у тым ліку γ, δ, χ, κ, η, ρ, θ і α. α-Al₂O₃ (корунд) з'яўляецца найбольш тэрмадынамічна стабільным і быў шырока вывучаны. Аднак, ρ-Al₂O₃ унікальная: гэта адзіная фаза аксіду алюмінію, якая праяўляе здольнасць да спантаннай гідратацыі пры пакаёвай тэмпературы. Рэакцыя гідратацыі:
ρ-Al₂O₃ + 2H₂O = Al(OH)3 + AlOOH
Прадуктамі гэтай рэакцыі з'яўляюцца золь баерыту і беміту, якія забяспечваюць выдатныя цэментуючыя і ўмацоўваючыя ўласцівасці, што дазваляе ρ-Al₂O₃ выконваць ролю высокаэфектыўнага звязальнага рэчыва для вогнетрывалых ліццяў.
Тэрмадынамічныя разлікі Лі Сяомінга і інш. пацвярджаюць магчымасць гэтай гідратацыі паміж рознымі фазамі аксіду алюмінію. Пры тэмпературы 298 K стандартныя змены свабоднай энергіі Гібса (ΔG⁰) для рэакцыі гідратацыі (тое ж ураўненне, што і вышэй) для розных формаў Al₂O₃ складаюць:
У табліцы ніжэй паказаны тэрмадынамічныя дадзеныя для розных формаў Al₂O₃ і H₂O, Al(OH)₃ і AlOOH пры тэмпературы 298 K.
Табліца 1. ΔG0 (кДж/моль) для адпаведных злучэнняў пры 3298 K
Разлікі па пяці марфалогіях Al₂O₃, паказаных у табліцы вышэй, даюць наступныя вынікі:
| Фаза аксіду алюмінію | ΔG⁰ (кДж/моль) для гідратацыі |
|---|---|
| χ-Al₂O₃ | -37.8 |
| γ-Al₂O₃ | -34.5 |
| κ-Al₂O₃ | -26.7 |
| δ-Al₂O₃ | -25.4 |
| α-Al₂O₃ | -16.1 |
Адмоўныя значэнні ΔG⁰ для ўсіх формаў, у тым ліку найбольш стабільнай α-Al₂O₃, паказваюць, што любая форма аксіду алюмінію можа выступаць у якасці гідраўлічна зацвярдзелага звязальнага рэчыва пры правільнай актывацыі. Пры высокіх тэмпературах усе гэтыя формы ператвараюцца ў α-Al₂O₃ (корунд), што робіць яе “самазвязальнай” вогнетрывалай сістэмай. Само звязальнае рэчыва ператвараецца ў высакаякасны вогнетрывалы аксід з выдатнымі ўласцівасцямі.
ρ-Al₂O₃ як лепшае злучнае
У канцы 1970-х гадоў Японія першай пачала выкарыстоўваць ρ-Al₂O₃ у якасці звязальнага рэчыва для гідраўлічна звязаных ліцейных матэрыялаў. Сістэматычныя даследаванні паказалі, што колькасць дабаўленага ρ-Al₂O₃ не павінна апускацца ніжэй за 0,3 мас.%%, прычым аптымальны ўзровень складае прыблізна 7 wt%. Пасля гэтага даследчыкі ў Савецкім Саюзе, Вялікабрытаніі, ЗША і Германіі даследавалі гэтую канцэпцыю, назваўшы яе пераходным аксідам алюмінію, прамежкавым аксідам алюмінію або актыўным аксідам алюмінію.
Найбольшая перавага ρ-Al₂O₃ перад чыстым кальцыева-алюмінатным цэментам (КАЦ) заключаецца ў поўным выключэнні праблем, выкліканых CaO (такіх як утварэнне нізкаплавкага анартыту і геленіту). ρ-Al₂O₃ прапануе:
- Больш высокія тэмпературы эксплуатацыі (>1700°C).
- Большая трываласць і стабільнасць аб'ёму.
- Выдатная ўстойлівасць да карозіі.
У цяперашні час складана атрымаць высакаякасны ρ-Al₂O₃ у прамысловых маштабах. Прамысловыя прадукты звычайна ўтрымліваюць сумесь ρ-Al₂O₃, χ-Al₂O₃ і рэшткавага нераскладзенага Al(OH)₃, прычым фактычнае ўтрыманне ρ-Al₂O₃ складае каля 60 мас.% па масе%.
Прыклад прымяненняПры параўнанні ліцця на аснове MgO, звязанага ρ-Al₂O₃ (з выкарыстаннем плаўленага або спечанага аксіду магнію), з традыцыйнымі цэментава звязанымі аналагамі, сістэма ρ-Al₂O₃ дэманструе найлепшыя характарыстыкі з пункту гледжання трываласці і высокатэмпературных уласцівасцей, што робіць яе выдатным выбарам для складаных ужыванняў.
Звязальныя рэчывы на аснове крэмнія і алюмінію ў вогнетрывалых цэментабетонных вырабах
Канцэпцыя кампазітнага геля
Лі Сяомін і інш. распрацавалі вельмі інавацыйную кампазітную сістэму звязальных рэчываў на аснове дыяксіду крэмнію і аксіду алюмінію на аснове геля. Гэта звязальнае рэчыва паспяхова дазволіла атрымаць высокатрывалыя ліццёвыя вырабы на аснове корунда са звязальнай фазай, якая складаецца з высокачыстых матэрыялаў. муліт, што значна паляпшае агульную прадукцыйнасць.
Гэта звязальнае рэчыва па сутнасці ўяўляе сабой сумесь калоідных і ўзважаных часціц, сфармуляваную з Ультратонкі парашок SiO₂ і Мікрапарашок Al₂O₃ з памерамі часціц ад 10⁻⁴ да 10⁻⁶ см. Малярнае суадносіны Al₂O₃ да SiO₂ дакладна кантралюецца на 3:2, што дазваляе поўнае ўтварэнне муліту пры высокіх тэмпературах.
Гэты гель з аксіду крэмнію і алюмінію можа пастаўляцца ў сухім або вадкім выглядзе.
Тэрмадынаміка ўтварэння муліту
Дзякуючы высокай ступені дысперсіі, гель валодае велізарнай удзельнай паверхняй і высокай павярхоўнай актыўнасцю. Гэта забяспечвае яму выдатную трываласць звязвання пры нізкіх тэмпературах, у той час як пры высокіх тэмпературах ён хутка ўтварае вельмі вогнетрывалую і надзвычай трывалую мулітную фазу.
Рэакцыя мулітызацыі прадстаўлена наступным чынам:
3Al₂O₃ (S) + 2SiO₂ (S) = 3Al₂O₃·2SiO₂
Тэрмадынамічныя разлікі для гэтай рэакцыі пры розных зыходных рэчывах паказваюць:
| Зыходныя матэрыялы | тэмпература | ΔG⁰ (кДж/моль) |
|---|---|---|
| α-Al₂O₃ + кварц | 1300 тыс. | -0,97 кДж |
| α-Al₂O₃ + аморфны SiO₂ | 1100 тыс. | -0,26 кДж |
| γ-Al₂O₃ + аморфны SiO₂ | 1100 тыс. | -36,92 кДж |
| γ-Al₂O₃ + кварц | 1100 тыс. | -33,42 кДж |
Гэтыя тэрмадынамічныя разлікі пацвярджаюць, што муліт можа ўтварацца пры надзвычай нізкіх тэмпературах калі выкананы кінетычныя ўмовы. Выкарыстанне рэактыўных (аморфных) формаў крэмнезёму і пераходных аксідаў алюмінію рэзка зніжае энергетычны бар'ер для мулітызацыі.
Выключныя механічныя характарыстыкі
У эксперыментальных выпрабаваннях з выкарыстаннем высокагліназёмістых літых матэрыялаў, звязаных з дапамогай гелева-крэмніевага геля, вынікі былі ўражлівымі. Пасля абпалу пры 800°C на працягу 3 гадзін, модуль пругкасці пры разрыве ў халодным стане і трываласць на сцісканне ў халодным стане дасягнулі ўражлівых значэнняў 13 МПа і 102 МПа, адпаведна. Такая высокая трываласць пры гэтай тэмпературы можа быць растлумачана толькі ўтварэннем моцнай мулітавай сеткі сувязяў.
Далейшыя выпрабаванні ліцця на аснове корунда, звязанага гэтым гелем, паслядоўна паказвалі вельмі высокую трываласць пры абпале. Важна адзначыць, што ўзоры, абпаленыя пры 1000°C дасягнула трываласці на халоднае сцісканне, якая перавышае 180 МПа.
Пераадоленне падзення сілы
Гэты профіль эксплуатацыйных характарыстык мае вялікае значэнне. Ён дазваляе адліўцы цалкам пераадолець традыцыйны пралом у сіле што перашкаджае звычайным ліцейным матэрыялам падчас працэсу награвання. У адрозненне ад цэментна-звязаных матэрыялаў, якія слабеюць пры прамежкавых тэмпературах, гелева-звязаныя сістэмы працягваюць умацоўвацца, забяспечваючы структурную цэласнасць на працягу ўсяго тэрмічнага нагрэву. Гэта прыводзіць да найлепшых характарыстык пры высокіх тэмпературах і больш бяспечнага і надзейнага тэрміну службы.
Заключэнне
Стратэгічнае выкарыстанне ультратонкіх парашкоў неабходна для сучаснай тэхналогіі вогнетрывалых матэрыялаў.
- Дыяксід крэмнію (SiO₂) забяспечвае беспрэцэдэнтнае запаўненне, змазку і ўмацаванне пры сярэдняй тэмпературы дзякуючы сілаксанавым сеткам, з аптымальнай дазоўкай каля 5 мас.% па масе %.
- Мікрапарашкі α-Al₂O₃ і ρ-Al₂O₃ выконваюць падвойную ролю ў якасці ўшчыльняльнікаў і высокаэфектыўных самазвязальных рэчываў, пазбягаючы шкоднага CaO, які ўводзіцца ў цэменты, і забяспечваючы выдатную трываласць пры высокіх тэмпературах і каразійную ўстойлівасць.
- Звязальныя рэчывы на аснове крэмнія і алюмінію прадстаўляюць сабой перадавую перадавую абалонку, дазваляючы злучаць муліт высокай чысціні пры нізкіх тэмпературах і забяспечваючы выключную механічную трываласць (больш за 180 МПа), адначасова ліквідуючы спад трываласці пры прамежкавых тэмпературах.
Выкарыстоўваючы гэтыя тры ключавыя ультратонкія парашкі, вытворцы вогнетрывалых матэрыялаў могуць ствараць высокапрадукцыйныя, трывалыя адліўныя матэрыялы, якія адпавядаюць строгім патрабаванням сучаснай металургіі, нафтахімічнай і энергетычнай прамысловасці.
EPIC парашок
У EPIC парашок, мы разумеем, што характарыстыкі вашага канчатковага вогнетрывалага прадукту пачынаюцца з якасці апрацоўкі парашка. Незалежна ад таго, ці патрэбныя вам індывідуальныя рашэнні для памолу дыяксіду крэмнію, мікрапарашкоў аксіду алюмінію або складаных сумесяў гелевых папярэднікаў, нашы перадавыя паветраныя класіфікацыйныя млыны і струменевыя млыны забяспечыць дакладны кантроль памеру часціц (аж да мікроннага і субмікроннага ўзроўняў), каб задаволіць вашыя патрабаванні да рэцэптуры.
Звяжыцеся з намі сёння каб даведацца, як рашэнні EPIC Powder для драбнення могуць дапамагчы вам дасягнуць ідэальнага размеркавання ультратонкага парашка для вашых вогнетрывалых адлівак наступнага пакалення.
“Дзякуй за чытанне. Спадзяюся, мой артыкул будзе карысным. Калі ласка, пакіньце каментар ніжэй. Вы таксама можаце звязацца з прадстаўніком службы падтрымкі кліентаў EPIC Powder онлайн». Зэльда для любых дадатковых запытаў.”
— Джэйсан Ван, Інжынер