搜索
武汉科技大学耐火材料新技术课程论文1铝矾土基喷涂料的研究与施工方法摘要：介绍了喷涂料的基本概况，然后以铝矾土喷涂料为例，系统地介绍了多种原材料、结合剂以及添加剂对喷涂料性能的影响，最后概括总结了喷涂料的施工方法以及其中需要注意的事项。关键词：喷涂料、铝矾土、板状刚玉、蓝晶石、红柱石、干法、湿法、火焰喷涂前言：随着耐火材料行业的发展和社会的进步，一些劳动强度大，施工速度慢的耐火材料逐渐被取代，不定型耐火材料在冶金行业中用量日益增加。而在不定型耐火材料中用量最大的就是浇注料，其次为喷涂料。喷涂料广泛运用于窑炉以及热工设备上，可以用于喷涂新的衬体，也可用于炉衬的修补。既可以在冷态下用于构筑和修补炉衬以及涂覆成保护层，更宜于用在热态下修补炉衬。喷涂料解决了耐火材料普通施工方法在复杂或异型部位无法操作的难题。另外喷涂料施工不需要支设模板，可直接在受喷面上设置锚固件进行施工或在耐火材料表面上喷涂。由以上可知，喷涂料是加快施工进度、缩短修炉时间、延长窑炉使用寿命和降低耐火材料消耗的一项有效技术措施，是比较有发展前途的优良材料。1喷涂料的基本概况喷涂料是一种利用气动工具以机械喷射方法施工的不定型耐火材料。耐火喷涂料在管道中借助压缩空气或机械压力以获得足够的速度，通过喷嘴射到受喷面上，便能形成牢固的喷涂层。其喷涂方法又可以分为湿法、干法、半干法和火焰法4类；按受喷面接受物料的状态又分为冷物料喷涂法和熔融物料喷涂法两种。耐火喷涂料与同品种耐火浇注料基本相似，其区别是耐火骨料的临界粒度较小，一般为3~5mm，耐火粉料、超微粉和结合剂的合用量较多，一般为35%~45%。由于材料的组成相似，因此喷涂料的凝结硬化机理和高温下的物理化学变化也基本相同。其中关键技术是附着性、黏结性、强度和烧结性。这些特性不仅仅与材料本身密切相关，更重要的是受喷射机等机械设备和施工工艺参数的制约，也受其受喷体的状态和使用条件等因素的影响[1]。喷涂料必须具备的性质：（1）具有一定的颗粒级配来保证物料具有一定的流动性；（2）喷涂料必须具有一定的塑性和凝固性，使物料能很好的吸附到喷涂层上，并能很快的凝固而具有一定的强度；武汉科技大学耐火材料新技术课程论文2（3）控制好加水量，保证能够润湿物料又不会发成流淌。施工时要注意：（1）喷射的风压和风量，避免回弹和脱落；（2）喷枪口与受喷体的距离与角度，避免使物料喷到受喷面的力度过大或过小，保证能喷涂均匀；（3）喷涂时厚度控制，太厚容易剥落。具体的注意事项在后面会详细论述。2铝矾土基喷涂料性能的影响因素铝矾土喷涂料是以铝矾土为主要原料，铝酸钙水泥、硅微粉为结合系统，根据情况加入蓝晶石、红柱石等，利用三石在高温下的莫来石化来抵消烧结收缩。为了提高其性能而加入一些添加剂，如Cr2O3。为了促进凝结硬化而加入一些促凝剂，如铝酸钠等。2.1不同粒度板状刚玉的影响[2-3]矾土基喷涂料具有氧化铝含量高、耐火度高、较高的强度和耐磨性等优良性能，主要应用于工业窑炉的衬里。板状刚玉的特点是导热性高、热稳定性好、高温强度大。因为其结构外形是片状的，可以起网状骨架作用，从而可大大提高制品的强度。又由于此结构能抵消各方向的应力，因此能够减小急冷急热所产生的应力破坏。然而，不同粒度的板状刚玉对材料性能产生的影响也不同。实验以铝矾土为主要原料，铝酸钙水泥和硅微粉为结合系统，研究了不同粒度的板状刚玉对喷涂料性能的影响。2.1.1物理性能表1试样的物理性能（1）体积密度随着处理温度的升高先减小后增大。同一温度下，引入不同粒度板武汉科技大学耐火材料新技术课程论文3状刚玉的体积密度相差不大；（2）线收缩率随温度升高增大，在1300℃时略有减小，原因是蓝晶石高温下分解为莫来石和熔融状态的游离SiO2，同时产生体积膨胀吸收了一部分体积收缩。并且随着板状刚玉粒度的减小，线收缩率大致呈增大的变化趋势，这在高温下表现尤为明显，这是由于细小颗粒的板状刚玉更易于促进烧结进程，试样烧结后必然会产生烧结收缩。因此经过高温热处理后线收缩率随着板状刚玉粒度的减小而增大；（3）抗折强度和抗压强度呈现先减小后增大的变化规律。在经过110℃烘干和经过1000℃热处理后，BL2试样的抗折强度和抗压强度最大。但在经过较高热处理温度1300、1500℃热处理后。BL3试样的抗折强度和抗压强度最大。这也是由于细粒度的板状刚玉促进了烧结所致，导致了强度的增加。2.1.2耐磨性能图1不同粒度板状刚玉对试样常温耐磨性的影响由图1可以知道，在经过较低温度处理时，粒度大的板状刚玉有利于提高耐磨性能，而在较高温度处理时，粒度小的板状刚玉有利于提高耐磨性能。因此单就材料耐磨性能而言，不同粒度板状刚玉对试样经过不同热处理温度后试样的耐磨性能产生的影响也是不同的。2.1.3热膨胀系数图2含有不同粒度板状刚玉试样的热膨胀系数与热处理温度的关系曲线总体看来，相同温度下，尤其在高温下，粒度对热膨胀系数影响不明显。2.1.4热震稳定性武汉科技大学耐火材料新技术课程论文4表2不同粒度板状刚玉对试样抗热震性的影响单就抗热震稳定性而言，含有粗粒度板状刚玉试样的抗热震性能要优于含有细粒度板状刚玉试样的抗热震性能。可能是因为板状刚玉的结构外形是片状的，它可以在喷涂料中网状骨架作用，此结构能抵消各方向的应力，减小急冷急热所产生的应力对试样的损坏，而这种网状骨架作用也是与板状刚玉的粒度有关的，其粒度越大这种作用越明显。2.1.5结论（1）经过1300、1500℃热处理后，试样的线收缩率随着板状刚玉粒度的减小而增大。此时，有粒度小于45μm板状刚玉试样的抗折强度和耐压强度最大；（2）经过1300℃热处理后，细粒度的板状刚玉有利于提高试样的耐磨性能；（3）铝矾土基喷涂料中含有粗粒度板状刚玉试样的抗热震性能优于含有细粒度板状刚玉试样的抗热震性能。另外，在用氧化铝微粉替代板状刚玉微粉的实验中发现：（1）板状刚玉细粉和氧化铝微粉对铝矾土基喷涂料的体积密度影响不大，但经1000℃热处理后，同时含有板状刚玉细粉和氧化铝微粉的试样表现出更高的抗折强度和耐压强度。（2）仅含有氧化铝微粉试样的耐磨性能优于仅含有板状刚玉细粉试样的耐磨性能；而仅含有板状刚玉细粉的试样抗热震性能优于含有氧化铝微粉的。2.2不同粒度蓝晶石的影响[4]蓝晶石是一种高铝矿物原料，由于蓝晶石原矿高温下体积产生明显的膨胀，因此在耐火材料中常利用蓝晶石原矿的膨胀来抵消基体的收缩作用，以改善耐火材料的高温使用性能，延长其使用寿命。蓝晶石的化学式为Al2O3·SiO2，，其理论组成为Al2O362．92％，SiO237．08％，但在实际上，蓝晶石精矿中Al2O3的含量均比理论值偏低。精矿中蓝晶石矿物越多，高温下产生的膨胀也相应越大。其次，不同粒度的蓝晶石在高温下分解产生的膨胀量也不相同。因此，常常利用不同粒度的蓝晶石在高温下分解为莫来石伴随的体积膨胀来补偿不定形耐火材料在高温下的收缩，使线膨胀趋于正值，减轻结构的剥落，增强材料的体积稳定性。实验研究了加入不同粒度的蓝晶石后喷涂料的各种性能的变化情况。2.2.1线变化率与体积密度武汉科技大学耐火材料新技术课程论文5图3含不同粒度蓝晶石经不同温度热处理后的线变化率图4含不同粒度蓝晶石经不同温度热处理后的体积密度试样在1300℃热处理时线变化率开始有变化，在1500℃时线变化率差别很明显。这是由于蓝晶石的理论组成为Al2O3·SiO2，自1100℃开始分解，在加热至1300～1350℃温度范围内，蓝晶石分解为莫来石和熔融状游离二氧化硅(方石英玻璃)，其反应式为：3(Al2O3·SiO2)→3Al2O3·2SiO2+SiO2在1000℃和1300℃时不同粒度的蓝晶石引起的体积密度差别不大，这说明三种不同粒度的蓝晶石对铝矾土基喷涂料低温和中高温的体积密度影响并不是很大。但在1500℃热处理之后，随着蓝晶石粒度的增大体积密度下降较快，这是由于蓝晶石分解而带来的体积膨胀，造成内部结构疏松，导致体积密度下降。并且随着蓝晶石粒度的增大造成的体积膨胀也增大，导致内部结构越发的疏松，因此试样经过1500℃热处理后，体积密度随着蓝晶石粒度的增大而减小。2.2.2耐压与抗折强度图5含不同粒度蓝晶石经不同温度热处理后的常温抗折强度图6含不同粒度蓝晶石经不同温度热处理后的常温耐压强度试样在110℃下烘烤后，粒度大的蓝晶石抗折强度较大，这是因为较粗粒度的蓝晶石存在于铝矾土基体中，使材料抵抗弯矩的能力增加。但对耐压强度影响并不大。在1000℃、1300℃和1500℃处理之后，耐压和抗折强度都表现出相同的变化规律，即粒度越小的蓝晶石越有利于提高耐压和抗折强度。这主要是因为颗粒越大的蓝晶石导致试样的膨胀量就越大，材料的紧密结构逐渐减小，内部结构松散，强度相应降低。此外，试样经过1300℃热处理后，由于水泥形成的液相促进了烧结，在烧结驱动力的作用下，试样颗粒之间的距离被拉近，因此试样的抗折强度和耐压强度增大；但当经过1500℃热处武汉科技大学耐火材料新技术课程论文6理后，由于蓝晶石的膨胀导致了试样的抗折强度和耐压强度下降。2.2.3热膨胀系数试样在1100℃之前，相同温度的情况下，蓝晶石粒度增大，热膨胀系数降低。在1100~1400℃时，对于同一组成来说，由于蓝晶石的分解并伴有一定的体积膨胀，从而抵消了烧结收缩，热膨胀系数变化不大。同时粗粒度的蓝晶石产生的体积膨胀也比较大，所以在1100~1400℃温度范围内，LA1LA3LA2。但是在1400℃之后，LA3LA1LA2，这是由于蓝晶石的粒度对蓝晶石转变为莫来石的温度是有影响的。LA1和LA2两种试样在l400℃左右已经基本完成莫来石化，但LA3试样大约在l450℃左右才完成莫来石化。由此可以表明，粗粒蓝晶石莫来石化的结束温度要高于细粒蓝晶石。2.2.4结论（1）铝矾土基喷涂料经过1300℃和1500℃热处理后，线膨胀率随着蓝晶石粒度的增大而增大；（2）铝矾土基喷涂料经过1500℃热处理后，体积密度随着蓝晶石粒度的增大而减小；（3）铝矾土基喷涂料经过1000℃、1300℃和1500℃热处理后，抗折强度和耐压强度随着蓝晶石粒度的增大而减小；粗粒蓝晶石莫来石化的结束温度要高于细粒蓝晶石。2.3不同粒度红柱石的影响[5]红柱石具有较好的抗高温蠕变性、抗热震性，且原料本身不需要煅烧，使之成为优良的耐火材料，在很多领域广泛应用。由于红柱石分解并转化为热学性能、高温力学性能、抗热震性更好的莫来石，因此，红柱石材料在对抗热震性与高温强度要求高的领域有很好的应用效果。实验中研究了不同粒度的红柱石对铝矾土喷涂料各种性能的影响。2.3.1线变化率和体积密度试样经过110℃烘干后，三种试样的线收缩率随着红柱石粒度的增大而略有增大，但变化不明显，这说明不同粒度的红柱石对调整试样干燥烘干后的线变化率无明显作用。试样经过1000℃热处理后，三组试样的线收缩率几乎无变化。1300℃时，中小颗粒的线收缩相近但与大颗粒的相差较大。试样经过1500℃热处理后，试样的线收缩率随着红柱石粒度的增大逐渐增大。含有粗粒度红柱石的试样在经过高温热处理后产生的收缩大，这是粗粒度的红柱石分解生成莫来石的温度要高于细粒度的红柱石，因此添加粗粒度的红柱石并不能有效弥补矾土基喷涂料经高温热处理产生的收缩。在矾土基喷涂料中引入粗颗粒的红柱石能够提高材料的体积密度。由于粗颗粒的红柱石相变为莫来石的分解温度较高，1500℃时红柱石并不能充分分解转化为莫来石，材料产生较大的收缩，因此含粗颗粒的体积密度增加比较明显。武汉科技大学耐火材料新技术课程论文72.3.2耐压和抗折强度不同粒度的红柱石对矾土基喷涂料的强度影响不是很大，仅在经过高温1500℃热处理后，含有粗粒度红柱石的试样的强度增加。这也与试样在1500℃热处理后有较大的线收缩和较大的体积密度有关。2.3.3耐磨性能粗颗粒的红柱石更利于基质与骨料的结合，当磨损介质冲蚀试样表面时，基质与骨料被磨损的程度较为均匀，磨损量要小一些。而引入细粒度红柱石的试样，由于基质与骨料结合的不牢固，基质部分容易被冲刷掉，留下裸露的骨料，使其磨损量增大