耐火材料新技术论文

武汉科技大学耐火材料新技术课程论文

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；

（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

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Al2O3 62．92％，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

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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)→3 Al2O3·2 SiO2+ 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