三門峽西三元材料發(fā)展有限公司
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以硅酸鋁活性粉體為膠結(jié)料,以二氧化硅為礦物質(zhì)添加物,經(jīng)物理發(fā)泡形成多孔泡沫型坯,干燥后高溫煅燒,制備一種耐高溫的輕質(zhì)保溫隔熱材料。設(shè)計(jì)干密度為260kg/m3,材料基本配比及工藝為200g高鋁耐火水泥,60g二氧化硅粉體,100mL水,水灰比0.5,定容體積1L,燒結(jié)溫度1180℃,燒結(jié)時(shí)間2h。對(duì)燒結(jié)體進(jìn)行了性能測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明,燒結(jié)體干密度268kg/m3,抗壓強(qiáng)度4.2MPa,1000℃下導(dǎo)熱系數(shù)0.06W/(m·K),吸水率3%,作為工業(yè)窯爐保溫隔熱材料性能優(yōu)良。
耐火保溫隔熱材料一般用于工業(yè)爐窯、冶金、管道和熱工設(shè)備中,以減緩熱量的散失。目前,保溫隔熱材料主要有巖礦棉、玻璃棉、泡沫塑料、膨脹珍珠巖、硅酸鋁纖維等5大類,除了泡沫塑料用于包裝、建筑保溫等領(lǐng)域,其他4類保溫隔熱材料均可用于工業(yè)窯爐,但基于這些材料普遍具有連通孔隙的微觀組織特性,高溫條件下的保溫隔熱性能并不十分理想。巖礦棉的最高使用溫度為500℃,玻璃棉的最高使用溫度為200℃,膨脹珍珠巖的最高使用溫度為800℃。硅酸鋁耐火纖維是目前發(fā)展最快,高溫工業(yè)爐窯上應(yīng)用最多的耐火纖維,其具有高溫隔熱、保溫、耐火、降噪、絕緣及輕質(zhì)等優(yōu)點(diǎn),其最高使用溫度為1260℃,長(zhǎng)期使用溫度為950~1050℃,但抗壓抗折力比較差,易產(chǎn)生粉塵,防水性能不太好,吸水率大,其連通孔隙不利于保溫。
針對(duì)以上問題,本研究以硅酸鋁活性粉體為膠結(jié)料,添加其他礦物原料,經(jīng)物理發(fā)泡形成多孔泡沫型坯,高溫煅燒后獲得具有一定強(qiáng)度、干密度和吸水率低的耐高溫輕質(zhì)保溫隔熱材料。與其他材料體系相比,本試驗(yàn)所涉及的方法其優(yōu)勢(shì)在于:①窯爐耐熱保溫層可以一體成型,最大限度降低拼接縫的熱能耗散;②與硅酸鋁纖維相比,內(nèi)部氣孔為閉氣孔,表現(xiàn)為吸水率低。
試驗(yàn)材料與方法
1.1原材料
硅酸鋁活性粉體,800號(hào)高鋁耐火水泥;二氧化硅粉體,粒徑1μm;物理發(fā)泡劑,自制。
1.2試驗(yàn)方法
1.2.1材料制備
本試驗(yàn)采用最基礎(chǔ)配比,具體制作步驟:①稱取200g高鋁耐火水泥,60g二氧化硅粉體,置于2000mL不銹鋼容器中,加入100mL水,攪拌成漿體待用;②用壓縮空氣將物理發(fā)泡劑吹成細(xì)小泡沫待用;③逐次加入泡沫至水泥漿體,同時(shí)攪拌均勻,直至定容到1L的體積;④將攪拌好的泡沫漿體倒入模型中,用塑料薄膜密閉包裹,放入養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù),溫度設(shè)定為37℃,養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28天;⑤取出型坯自然晾干3天后,90℃烘干24h,再升溫到120℃烘干24h;⑥烘干后型坯留部分樣品待測(cè),其余樣品于1180℃煅燒2h,升溫速率為2℃/min,降溫為隨爐冷卻。
1.2.2測(cè)試方法
分別測(cè)定試塊28d齡期和煅燒后的抗壓強(qiáng)度和干密度,試驗(yàn)方法參照GB/T11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》。導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法參照GB/T10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定防護(hù)熱板法》,采用設(shè)備為Dre-2C導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀。吸水率具體試驗(yàn)方法參照GB/T11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》,體積吸水率采用公式(1)計(jì)算,精確到0.1%。
式中:W為試件的體積吸水率,%;M為試件吸水后質(zhì)量,M0為試件吸水前質(zhì)量,kg;ρ為水的密度,ρ=1000kg/m3;V為試塊的體積,m3。
采用XL-30EMSE型環(huán)境電子掃描顯微鏡對(duì)型坯和燒結(jié)體進(jìn)行微觀形貌的觀察。采用DX-2700型X射線衍射儀對(duì)型坯和燒結(jié)體的組成進(jìn)行物相分析。
結(jié)果與討論
結(jié)果與討論結(jié)果與討論
經(jīng)測(cè)試,硅酸鋁輕質(zhì)高溫保溫隔熱材料的干密度、抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)和吸水率測(cè)試結(jié)果列于表1。
表1硅酸鋁輕質(zhì)高溫保溫隔熱材料的干密度、抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)和吸水率測(cè)試數(shù)據(jù)
2.1干密度
影響干密度的因素有兩點(diǎn):固相物質(zhì)質(zhì)量和定容體積。這也是獲得近似設(shè)計(jì)干密度的方法,即膠結(jié)料與礦物料在定容至1L時(shí),理論上,其型坯或燒結(jié)體的干密度,數(shù)值上等于膠結(jié)料與礦物料的質(zhì)量之和。
試驗(yàn)結(jié)果顯示,型坯的干密度為285kg/m3,燒結(jié)體的干密度為268kg/m3,均高于其理論干密度260kg/m3,原因在于,膠結(jié)料在膠凝過程中發(fā)生水化反應(yīng),部分水成為固相的組成構(gòu)成,使型坯的干密度高于理論干密度。高溫?zé)Y(jié)后,由于原料的純度所限,原料中的水分和揮發(fā)物質(zhì)、膠凝過程形成的結(jié)構(gòu)水均被燒失,燒結(jié)體的干密度應(yīng)低于理論干密度,但在燒結(jié)過程中發(fā)生一定的體積收縮,使得干密度增大,燒結(jié)體的干密度將取決于燒結(jié)過程中的質(zhì)量損失和體積收縮的綜合結(jié)果。
本次試驗(yàn)采用的礦物質(zhì)輔助材料為二氧化硅,可被石墨、高嶺土、玻璃微珠等取代或補(bǔ)充。當(dāng)被石墨或玻璃微珠取代時(shí),理論干密度可達(dá)到200kg/m3以下。
2.2抗壓強(qiáng)度
作為高溫保溫隔熱材料,對(duì)抗壓強(qiáng)度的要求不似結(jié)構(gòu)承重件的要求高,但具有一定的抗壓強(qiáng)度是必要的。
型坯抗壓強(qiáng)度主要來源于膠結(jié)料水化反應(yīng)所產(chǎn)生的、以分子鍵為主形成的膠結(jié)強(qiáng)度,對(duì)于密實(shí)塊體,其28d終凝強(qiáng)度可達(dá)43MPa,發(fā)泡后,由于大量氣孔隔斷了膠結(jié)料的分子聯(lián)結(jié),其抗壓強(qiáng)度大為降低,換言之,型坯的抗壓強(qiáng)度與干密度具有理論意義上的正相關(guān)。
圖1型坯(a)與燒結(jié)體(b)的斷口形貌
圖2型坯(a)與燒結(jié)體(b)的X-ray衍射結(jié)果
圖1所示為工業(yè)窯爐硅酸鋁輕質(zhì)高溫保溫隔熱材料型坯和燒結(jié)體的斷口顯微照片,圖2所示為工業(yè)窯爐硅酸鋁輕質(zhì)高溫保溫隔熱材料型坯和燒結(jié)體的Xray衍射結(jié)果。從圖1(b)中可以看出,相對(duì)于型坯,燒結(jié)體孔壁鈍化光滑,呈現(xiàn)明顯的玻璃化現(xiàn)象,微細(xì)孔尺寸減小,數(shù)量減少。衍射結(jié)果表明,燒結(jié)體中,二氧化硅衍射峰消失,推斷應(yīng)為二氧化硅由晶體轉(zhuǎn)為玻璃相所致,但主要物相結(jié)構(gòu)沒有發(fā)現(xiàn)變化。
型坯在燒結(jié)過程中,發(fā)生一定程度的體積收縮,同時(shí)二氧化硅與部分膠結(jié)料反應(yīng)形成玻璃相,從化學(xué)鍵的角度,物料組成成分之間部分分子鍵和氫鍵轉(zhuǎn)化為陶瓷體所具有的離子鍵,相對(duì)于型坯,燒結(jié)體具有較高的抗壓強(qiáng)度。
需要說明的是,這種細(xì)密氣孔的存在,對(duì)裂紋擴(kuò)展具有鈍化作用,因此,此類材料具有良好的機(jī)械可加工性能。
2.3 吸水率與導(dǎo)熱系數(shù)
試驗(yàn)測(cè)得型坯吸水率為50%,燒結(jié)體吸水率為3%,從吸水率的測(cè)定可以看出,燒結(jié)體的內(nèi)部氣孔,基本上為閉氣孔,或者氣孔之間為極細(xì)的通道,以至于毛細(xì)管力大于外部進(jìn)入的水的壓力,致使測(cè)試樣品在浸泡水時(shí),始終漂浮于水面,外部水分無(wú)法進(jìn)入樣品內(nèi)部,不妨將這樣的氣孔形態(tài)稱之為“類閉氣孔”,這種“類閉氣孔”形態(tài)相比連通氣孔形態(tài)(硅酸鋁纖維)具有更低的導(dǎo)熱系數(shù)(硅酸鋁纖維800℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為0.159W/(m·K))是顯而易見的。
試驗(yàn)測(cè)得型坯和燒結(jié)體導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.08和0.06W/(m·K),結(jié)合吸水率,燒結(jié)體導(dǎo)熱系數(shù)的降低主要是由于氣孔形態(tài)由型坯的開氣孔轉(zhuǎn)變?yōu)闊Y(jié)體的閉氣孔所致。
氣孔的大小由氣態(tài)膠泡沫大小決定,數(shù)量由氣態(tài)膠的加入量決定,而氣態(tài)膠加入量直接與干密度和抗壓強(qiáng)度負(fù)相關(guān),即氣態(tài)膠加入量越大,干密度越低,抗壓強(qiáng)度也越低,當(dāng)氣態(tài)膠加入量過大時(shí),膠結(jié)料甚至無(wú)法凝結(jié)為固體。
泡沫材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素主要有兩個(gè)方面:①固相物質(zhì)(骨架)的導(dǎo)熱系數(shù);②氣孔的特性(形態(tài)、數(shù)量、大小和分布)。為了降低導(dǎo)熱系數(shù),還應(yīng)該合理選擇礦物質(zhì)添加物作為固相物質(zhì)(骨架)的組成成分。此外,在滿足干密度和導(dǎo)熱系數(shù)的前提下,為了提高抗壓強(qiáng)度,添加一些纖維增強(qiáng)材料也是可以考慮的。
結(jié)論
結(jié) 論
1)用物理發(fā)泡方法制備一種硅酸鋁輕質(zhì)高溫保溫隔熱材料,其工藝操作比較簡(jiǎn)單,理論干密度與實(shí)際測(cè)試值非常接近,工藝過程易于控制,生產(chǎn)重復(fù)性好,成本低。應(yīng)用于工業(yè)窯爐可以整體澆注成形,減低了保溫隔熱磚堆砌必然存在的堆砌縫對(duì)保溫隔熱性能的可能影響。
2)材料物料基本配比及工藝為200g高鋁耐火水泥,60g二氧化硅粉體,100mL水,定容體積1L,燒結(jié)溫度1180℃,燒結(jié)時(shí)間2h,設(shè)計(jì)干密度260kg/m3。
3)所制備的材料燒結(jié)體干密度268kg/m3,抗壓強(qiáng)度4.2MPa,導(dǎo)熱系數(shù)0.06W/(m·K),吸水率3%,作為工業(yè)窯爐保溫隔熱材料性能優(yōu)良。