可水合氧化铝的水化脱水机制及其结合Al2O3-MgO浇注料性能

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铝镁质不定形耐火材料多数采用自流、振动、喷射等低压填充成型方式,其结合体系的选取决定了材料整体的致密度及结构与性能。可水合氧化铝在常温环境(25°C)的温度条件下可与水快速发生反应,生成三羟铝石和勃姆石凝胶,产生较高的陶瓷结合强度并避免因铝酸钙水泥引入Ca元素与钢渣反应生成钙长石和钙斜长石等低熔相,保证耐火材料稳定的高温使用性能。然而,关于可水合氧化铝水化机理及脱水行为与其结合材料性能研究鲜有报道。鉴于上述情况,开展可水合氧化铝的水化行为和脱水机制以及在Al2O3-MgO浇注料中的应用等基础研究工作具有十分重要的意义和实际应用价值。本论文以“调控水化速度、提升水化效率、控制脱水结构、优化结合性能”为设计思路,系统研究了可水合氧化铝的水化和脱水行为,及其对Al2O3-MgO浇注料性能的影响。主要研究工作包括:研究可水合氧化铝的水化机理及脱水行为,探究其粒度分布及形貌参数、分散剂协同作用、微粉表面吸附及复合酸性介质等对可水合氧化铝的水化速率、脱水结构及其结合性能的影响。采用N2吸附脱附法和压汞法联合分析可水合氧化铝脱水后的微观形态及其在浇注料中的结构演变。通过分析所制备材料的结构与性能,可以得到如下结论:(1)粒度分布与形貌参数均是影响可水合氧化铝水化行为的重要因素,其粒径越小、球形度越高,可水合氧化铝分散稳定性越高且固化越迅速。球磨时间为3h(d50=8.7μm,球形度0.93)的可水合氧化铝经300oC处理后的N2吸附脱附曲线属于Ⅳ型,回滞环属于H3型,反映其孔结构为层状聚集体所形成的无序结构。可水合氧化铝粒度适量减小且球形度增加,有助于提升所结合Al2O3-MgO浇注料的流动性,并使浇注料基质形成紧凑型结构。(2)分散剂协同作用有助于可水合氧化铝水化产物中的勃姆石凝胶向溶液中的扩散,提升浆料中勃姆石凝胶浓度,从而增加可水合氧化铝水化效率。添加偏硅酸钠的可水合氧化铝在2h水化反应后结晶度较低,反映其晶化速率较低;300oC处理后的N2吸附脱附曲线属于Ⅳ型,回滞环属于H2型,反映水合氧化铝脱水孔结构为层状聚集体所形成的墨水瓶结构。通过添加分散剂协同水化,可水合氧化铝的水化效率及水化程度均提升,并能显著提升Al2O3-MgO浇注料的流动性,并在浇注料中形成均匀的凝胶网络和适中的孔结构,以实现优化浇注料力学强度和抗热震性能的目的。(3)Al2O3/SiO2微粉通过表面吸附作用,在水化反应初期吸附勃姆石水解产生的羟基(-OH),促使水化反应向正反应方向进行,从而增加可水合氧化铝的水化程度。同时,带负电荷的Al2O3/SiO2微粉与勃姆石AlOOH的负电荷基团之间的范德华斥力有助于增加分子间距,延长其凝聚固化时间,从而优化所结合Al2O3-MgO浇注料的可施工性能。(4)酸性水化环境可显著抑制可水合氧化铝的水化反应进行,控制其凝胶释放速率。pH值为3的柠檬酸溶液预处理可水合氧化铝可使其在水化过程中形成有机络合物并吸附在凝胶层表面,达到抑制水化反应的效果。在脱水过程中,紧凑的水化层状结构有助于水蒸气分子的缓慢释放,缓冲热应力的作用效果。应用在Al2O3-MgO浇注料中,可增加其流动性并延长可施工时间。(5)借助COMSOL Mutiphysics软件分析可水合氧化铝脱水孔结构及分散形成的基质孔结构对浇注料抗渣渗透性能的影响。通过颗粒形貌及粒度控制、分散剂协同、微粉表面吸附和酸性介质预处理等处理方式的可水合氧化铝,其热处理后的脱水孔结构以及在浇注料基质的显微结构呈现显著差异,进而影响Al2O3-MgO浇注料的抗渣渗透性;其中,层状离散复合结构的可水合氧化铝脱水结构更有利于其结合浇注料抗渣渗透性的提升。
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