不同pH值硅溶胶对水合氧化铝结合刚玉质浇注料中低温结构与性能的影响

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水合氧化铝(HA)结合浇注料具有优异的抗热震性及抗渣侵蚀性,在钢包内衬等耐火结构中具有巨大的应用潜力。然而HA结合浇注料中低温强度较差,特别是在1000℃煅烧后几乎完全失去结合强度,这将导致浇注料在使用过程中容易发生坍塌。因此,提高HA结合浇注料的中低温强度对于其在钢包内衬中的应用至关重要。硅溶胶(CS)结合浇注料中温强度高,在HA结合浇注料中掺加适量CS,采用HA和CS两种结合剂,协同HA的水化和CS的凝聚作用有望改善浇注料的中低温强度。已有研究对比了HA结合浇注料掺加CS前后的中低温强度变化,但未深入分析其强度变化原因,HA-CS结合浇注料经中低温热处理后的物相组成及显微结构与其强度变化的对应关系目前未见报道;此外,养护温度将显著影响HA的水化及CS的凝结,进而对HA-CS结合浇注料的早期强度产生影响;不同pH值CS凝聚程度的差异也会导致HA-CS浇注料的结合强度有所不同。针对以上问题,本课题首先研究了不同养护温度(20℃、30℃、40℃和50℃)下掺加三种不同pH值的CS对HA-CS体系水化行为的影响,包括水化放热曲线、浆体的pH值及电导率变化,分析了养护温度(20℃、30℃、40℃和50℃)和CS的pH值对HA结合浇注料早期强度的影响,建立了物相组成和微观形貌与浇注料的脱模强度和烘干强度的本质联系。实验结果表明,CS的加入使HA的水化放热量降低,水化速率延缓,例如40℃时,HA在61min到达水化放热最高峰,掺加酸性、中性和碱性CS后,水化放热最高峰出现的时间分别延长至75、75和80 min。这是因为CS中SiO2球形粒子覆盖在HA颗粒表面阻碍了HA与水的接触,延缓了HA的水化速率,而掺加碱性CS的浆体中OH-浓度最高,有利于从SiO2颗粒表面的Si-OH基团中提取H+进而促进成链,在HA颗粒表面形成更为致密的包覆层使HA的水化速率进一步降低。掺加CS后,HA水化产物的生成量和结晶度大幅度降低,使浇注料的脱模强度降低,随着养护温度的升高,CS的凝聚程度增加,因HA水化受抑制导致的脱模强度损失随着养护温度的升高而减小,其中以碱性CS的凝聚程度最高,显微结构最为致密,掺加碱性CS的浇注料经50℃养护24 h后常温抗折强度为1.69 MPa,与未掺加CS组分十分接近(1.79 MPa)。但50℃养护会使浆料快速硬化,保温1 h后便失去流动性,从而对浇注料的施工性能产生不利影响。30-40℃养护可以使HA-CS结合浇注料保持良好的可施工性并获得良好的早期强度。在不同掺加量(1%、2%和3%)中对比分析了三种不同pH值CS对HA结合刚玉质浇注料经1000℃热处理后物理性能(尤其是常温抗折强度和耐压强度)的影响。结果表明,掺加2%酸性、中性和碱性CS的HA结合浇注料经1000℃热处理后常温抗折强度分别为7.68 MPa、8.66 MPa和8.67 MPa,耐压强度分别为58.64 MPa、64.93 MPa和57.51 MPa,相比未掺加CS浇注料增幅分别达到10倍和5倍左右,继续提高CS掺量会导致成型过程中的需水量增加而对强度产生不利影响,2%是CS较为合适的掺量。与此同时,本论文特别讨论了三种不同pH值CS对HA结合刚玉质浇注料经中低温(110-1250℃)热处理后力学强度及显气孔率和体积密度的影响。三种不同pH值CS中,碱性CS对HA结合浇注料中低温强度的提升幅度最大并明显增加了浇注料的显气孔率。通过分析升温过程中各组分试样的物相组成和化学键的变化以及掺加碱性CS前后的显微形貌演变及热重-差热分析曲线可知,随着温度的升高,HA-CS结合体系中观察到SiO2球形粒子团聚体的厚度和密度持续上升,CS凝聚产生的结合力不断增大,同时CS抑制HA水化导致升温过程中因HA水化产物脱水分解产生的强度损失大幅度减少。此外,CS的加入延缓了过渡相氧化铝的晶型转化以及脱水分解后的HA水化产物形貌的消失,提高了HA结合浇注料经400-1000℃热处理后的中低温强度,并且提升幅度随着煅烧温度的升高而增大。
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