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工業窯爐硅酸鋁輕質高溫保溫隔熱材料的制備

2020-1-6    來源:    作者:佚名  瀏覽次數:1447

以硅酸鋁活性粉體為膠結料,以二氧化硅為礦物質添加物,經物理發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保溫隔熱材料。設計干密度為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,燒結溫度1180℃,燒結時間2h。對燒結體進行了性能測試,測試結果表明,燒結體干密度268kg/m3,抗壓強度4.2MPa,1000℃下導熱系數0.06W/(m·K),吸水率3%,作為工業窯爐保溫隔熱材料性能優良。

耐火保溫隔熱材料一般用于工業爐窯、冶金、管道和熱工設備中,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、建筑保溫等領域,其他4類保溫隔熱材料均可用于工業窯爐,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展最快,高溫工業爐窯上應用最多的耐火纖維,其具有高溫隔熱、保溫、耐火、降噪、絕緣及輕質等優點,其最高使用溫度為1260℃,長期使用溫度為950~1050℃,但抗壓抗折力比較差,易產生粉塵,防水性能不太好,吸水率大,其連通孔隙不利于保溫。

針對以上問題,本研究以硅酸鋁活性粉體為膠結料,添加其他礦物原料,經物理發泡形成多孔泡沫型坯,高溫煅燒后獲得具有一定強度、干密度和吸水率低的耐高溫輕質保溫隔熱材料。與其他材料體系相比,本試驗所涉及的方法其優勢在于: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,內部氣孔為閉氣孔,表現為吸水率低。

試驗材料與方法

1.1原材料

硅酸鋁活性粉體,800號高鋁耐火水泥;二氧化硅粉體,粒徑1μm;物理發泡劑,自制。

1.2試驗方法

1.2.1材料制備

本試驗采用最基礎配比,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泡劑吹成細小泡沫待用;③逐次加入泡沫至水泥漿體,同時攪拌均勻,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,放入養護箱中進行養護,溫度設定為37℃,養護時間為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,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測試方法

分別測定試塊28d齡期和煅燒后的抗壓強度和干密度,試驗方法參照GB/T11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》。導熱系數測試方法參照GB/T10294—2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定防護熱板法》,采用設備為Dre-2C導熱系數測試儀。吸水率具體試驗方法參照GB/T11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》,體積吸水率采用公式(1)計算,精確到0.1%。

式中:W為試件的體積吸水率,%;M為試件吸水后質量,M0為試件吸水前質量,kg;ρ為水的密度,ρ=1000kg/m3;V為試塊的體積,m3。

采用XL-30EMSE型環境電子掃描顯微鏡對型坯和燒結體進行微觀形貌的觀察。采用DX-2700型X射線衍射儀對型坯和燒結體的組成進行物相分析。

結果與討論

結果與討論結果與討論

經測試,硅酸鋁輕質高溫保溫隔熱材料的干密度、抗壓強度、導熱系數和吸水率測試結果列于表1。

1硅酸鋁輕質高溫保溫隔熱材料的干密度、抗壓強度、導熱系數和吸水率測試數據

2.1干密度

影響干密度的因素有兩點:固相物質質量和定容體積。這也是獲得近似設計干密度的方法,即膠結料與礦物料在定容至1L時,理論上,其型坯或燒結體的干密度,數值上等于膠結料與礦物料的質量之和。

試驗結果顯示,型坯的干密度為285kg/m3,燒結體的干密度為268kg/m3,均高于其理論干密度260kg/m3,原因在于,膠結料在膠凝過程中發生水化反應,部分水成為固相的組成構成,使型坯的干密度高于理論干密度。高溫燒結后,由于原料的純度所限,原料中的水分和揮發物質、膠凝過程形成的結構水均被燒失,燒結體的干密度應低于理論干密度,但在燒結過程中發生一定的體積收縮,使得干密度增大,燒結體的干密度將取決于燒結過程中的質量損失和體積收縮的綜合結果。

本次試驗采用的礦物質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充。當被石墨或玻璃微珠取代時,理論干密度可達到200kg/m3以下。

2.2抗壓強度

作為高溫保溫隔熱材料,對抗壓強度的要求不似結構承重件的要求高,但具有一定的抗壓強度是必要的。

型坯抗壓強度主要來源于膠結料水化反應所產生的、以分子鍵為主形成的膠結強度,對于密實塊體,其28d終凝強度可達43MPa,發泡后,由于大量氣孔隔斷了膠結料的分子聯結,其抗壓強度大為降低,換言之,型坯的抗壓強度與干密度具有理論意義上的正相關。

1型坯(a)與燒結體(b)的斷口形貌

2型坯(a)與燒結體(b)的X-ray衍射結果

1所示為工業窯爐硅酸鋁輕質高溫保溫隔熱材料型坯和燒結體的斷口顯微照片,圖2所示為工業窯爐硅酸鋁輕質高溫保溫隔熱材料型坯和燒結體的Xray衍射結果。從圖1(b)中可以看出,相對于型坯,燒結體孔壁鈍化光滑,呈現明顯的玻璃化現象,微細孔尺寸減小,數量減少。衍射結果表明,燒結體中,二氧化硅衍射峰消失,推斷應為二氧化硅由晶體轉為玻璃相所致,但主要物相結構沒有發現變化。

型坯在燒結過程中,發生一定程度的體積收縮,同時二氧化硅與部分膠結料反應形成玻璃相,從化學鍵的角度,物料組成成分之間部分分子鍵和氫鍵轉化為陶瓷體所具有的離子鍵,相對于型坯,燒結體具有較高的抗壓強度。

需要說明的是,這種細密氣孔的存在,對裂紋擴展具有鈍化作用,因此,此類材料具有良好的機械可加工性能。

2.3 吸水率與導熱系數

試驗測得型坯吸水率為50%,燒結體吸水率為3%,從吸水率的測定可以看出,燒結體的內部氣孔,基本上為閉氣孔,或者氣孔之間為極細的通道,以至于毛細管力大于外部進入的水的壓力,致使測試樣品在浸泡水時,始終漂浮于水面,外部水分無法進入樣品內部,不妨將這樣的氣孔形態稱之為“類閉氣孔”,這種“類閉氣孔”形態相比連通氣孔形態(硅酸鋁纖維)具有更低的導熱系數(硅酸鋁纖維800℃時導熱系數為0.159W/(m·K))是顯而易見的。

試驗測得型坯和燒結體導熱系數分別為0.08和0.06W/(m·K),結合吸水率,燒結體導熱系數的降低主要是由于氣孔形態由型坯的開氣孔轉變為燒結體的閉氣孔所致。

氣孔的大小由氣態膠泡沫大小決定,數量由氣態膠的加入量決定,而氣態膠加入量直接與干密度和抗壓強度負相關,即氣態膠加入量越大,干密度越低,抗壓強度也越低,當氣態膠加入量過大時,膠結料甚至無法凝結為固體。

泡沫材料導熱系數的影響因素主要有兩個方面:①固相物質(骨架)的導熱系數;②氣孔的特性(形態、數量、大小和分布)。為了降低導熱系數,還應該合理選擇礦物質添加物作為固相物質(骨架)的組成成分。此外,在滿足干密度和導熱系數的前提下,為了提高抗壓強度,添加一些纖維增強材料也是可以考慮的。

結論

1)用物理發泡方法制備一種硅酸鋁輕質高溫保溫隔熱材料,其工藝操作比較簡單,理論干密度與實際測試值非常接近,工藝過程易于控制,生產重復性好,成本低。應用于工業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,燒結溫度1180℃,燒結時間2h,設計干密度260kg/m3。

3)所制備的材料燒結體干密度268kg/m3,抗壓強度4.2MPa,導熱系數0.06W/(m·K),吸水率3%,作為工業窯爐保溫隔熱材料性能優良。

 

 

 

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