在耐火材料的生產(chǎn)中，所有的耐火制品都是由不同尺寸的原料按一定的配比，混煉，然后成型，大多數(shù)情況下，生產(chǎn)出來(lái)的制品要盡可能的致密，所以原料的顆粒級(jí)配是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。因?yàn)椴煌念w粒級(jí)配產(chǎn)生的堆積密度是不同的，成型制品的氣孔率、體積密度、強(qiáng)度研究不相同，成型制品的氣孔率、體積密度、強(qiáng)度也就不相同，這就直接影響到制品的性能。對(duì)于耐火澆注料制品的生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，首先要求是澆注料有足夠的流動(dòng)性，而澆注料的流動(dòng)性取決于兩個(gè)方面，一方面是澆注料所用原料的顆粒級(jí)配，另一方面是原料加水混合后所形成的懸浮液的流變性能。從理論上來(lái)說(shuō)，耐火澆注料的堆積密度達(dá)到理論堆積密度是比較理想的，當(dāng)實(shí)際上由于水的加入使得這種情況不可能出現(xiàn)。
幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)顆粒的尺寸分布，堆積密度，氣孔率進(jìn)行了大量的研究，提出了很多理論，但是，至今為止沒(méi)有從理論上完全解決問(wèn)題。在耐火澆注料的研究方面，關(guān)于顆粒尺寸分布對(duì)耐火澆注料性能的影響還沒(méi)有見(jiàn)到理論上的報(bào)道，生產(chǎn)中的顆粒級(jí)配主要是使用從實(shí)驗(yàn)中得出的經(jīng)驗(yàn)配比。本實(shí)驗(yàn)主要以Andreasen方程為理論依據(jù)來(lái)研究顆粒尺寸分布對(duì)耐火澆注料性能的影響。
實(shí)驗(yàn)材料及方法
實(shí)驗(yàn)原料
實(shí)驗(yàn)中所用原料為：板狀氧化鋁、硅微粉、高鋁水泥。這里通過(guò)硅微粉加入量的變化來(lái)反應(yīng)顆粒尺寸分布的變化。澆注料的配料如表1所示。
表1 澆注料的顆粒級(jí)配
配料中CT9FG(活性氧化鋁)及硅微粉的顆粒尺寸分布為正態(tài)分布，D50值分別為5.0um、0.2um。
試驗(yàn)方法
Andreasen方程如公式(1)所示。
Cp=(d/d1)q100 (1)
將公式(1)兩邊取對(duì)數(shù)得：
lgCp=qlg(d/d1)+2 (2)
式中的d1是配料中的臨界顆粒尺寸，在生產(chǎn)中一般臨界顆粒使預(yù)先確定的，只是確定了q值，Cp是隨著d值的變化而變化的，如果確定了q值，那么可以通過(guò)調(diào)節(jié)配料的顆粒分布來(lái)達(dá)到理想的堆積。在實(shí)驗(yàn)中把q值定為0.27。
在實(shí)驗(yàn)中，將上述原料的顆粒尺寸分布值輸入計(jì)算機(jī)建立材料顆粒尺寸分布數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)調(diào)整不同尺寸顆粒的加入量來(lái)相應(yīng)地調(diào)整顆粒的分布曲線。耐火澆注料流動(dòng)值的測(cè)量采用GB2419—81水泥膠沙流動(dòng)度測(cè)試儀。
結(jié)果與討論
顆粒分布尺寸與澆注料流動(dòng)性的關(guān)系
按表1中的原料配比配料，得到相對(duì)應(yīng)的顆粒尺寸分布曲線如圖1至6所示。
圖1 1#試樣的顆粒尺寸分布曲線
圖2 2#試樣的顆粒尺寸分布曲線
圖3 3#試樣的顆粒尺寸分布曲線
圖4 4#試樣的顆粒尺寸分布曲線
圖5 5#試樣的顆粒分布曲線
圖6 6#試樣的顆粒分布曲線
從這幾個(gè)圖可以看出，因?yàn)楣栉⒎鄣念w粒尺寸為10um以下，而別的顆粒尺寸都大于10um，所以這時(shí)顆粒尺寸分布曲線的變化主要是隨著硅微粉加入量變化而變化，隨著硅微粉含量的增加，顆粒尺寸的分布曲線逐漸與理想的顆粒分布曲線吻合，當(dāng)硅微粉的含量達(dá)到8%時(shí)，實(shí)際顆粒尺寸分布曲線的q值低于理想狀態(tài)的q值，也就是微粉的含量過(guò)多了。
圖7顯示了硅微粉加入量和耐火澆注料的流動(dòng)性的關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)澆注料中硅微粉加入量加入量從0變化到2%時(shí)，澆注料的流動(dòng)性變化非常大，當(dāng)硅微粉的加入量為6%時(shí)，耐火澆注料的流動(dòng)值達(dá)到最大，繼續(xù)增加硅微粉澆注料流動(dòng)性又有所下降。從這里可以看出隨著微細(xì)粉顆粒含量的增加，即細(xì)顆粒部分達(dá)到連續(xù)尺寸分布時(shí)，澆注料的流動(dòng)性也達(dá)到最佳值。細(xì)顆粒的尺寸分布的微小變化會(huì)極大地改變澆注料的流動(dòng)性能。可以看出隨著細(xì)料加入量的增加，在保持相同流動(dòng)值的情況下，澆注料的加水量逐漸減小，說(shuō)明微細(xì)顆粒含量的增加不但提高了澆注料的流動(dòng)性，同時(shí)替代了一部分水，起到了減水劑和分散劑的作用。
圖7 硅微粉加入量與澆注料流動(dòng)性(a)及加水量(b)的關(guān)系
顆粒分布尺寸對(duì)耐火澆注料常溫性能的影響
將上面幾個(gè)配比的澆注料經(jīng)過(guò)澆注、振動(dòng)成型、養(yǎng)生、干燥、然后測(cè)量試樣的常溫物理性能。硅微粉含量的變化與試樣常溫性能的關(guān)系如圖8所示。
圖8 硅微粉加入量與澆注料氣孔率(a)及體積密度(b)的關(guān)系
從圖8中可以看出，隨著細(xì)顆粒含量的增加，試樣的氣孔率降低，而體積密度增加。當(dāng)試樣的顆粒尺寸分布為連續(xù)狀態(tài)時(shí)，即與理想的堆積曲線接近時(shí)，材料達(dá)到了致密堆積，同時(shí)材料的常溫物理性能也達(dá)到最佳值。
結(jié)論
(1)顆粒尺寸分布的不同會(huì)影響澆注料的流動(dòng)性，合理的顆粒尺寸分布能改善澆注料的流動(dòng)性，同時(shí)降低澆注料的加加水量。
(2)顆粒尺寸分布的不同還對(duì)耐火澆注料的常溫物理性能有很大的影響;只有采用合理的顆粒級(jí)配才能生產(chǎn)出性能優(yōu)良的耐火澆注料。
(3)證明了采用顆粒尺寸分布模型設(shè)計(jì)耐火澆注料的顆粒級(jí)配是非常有效的方法，同時(shí)證明了Andreasen數(shù)學(xué)模型非常直觀，而且簡(jiǎn)單實(shí)用。