工艺因素对浇注料中金属铝粉发气性能的影响.doc

工艺因素对浇注料中金属铝粉发气性能的影响徐吉龙1，2 蒋明学1 章荣会2 刘贯重2（1西安建筑科技大学材料学与工程学院，西安 710055）（2北京联合荣大工程材料有限责任公司，北京 101400）摘 要 本文从金属铝粉的粒度、加量、环境温度及水泥加量四个方面，对在低水泥刚玉浇注料（去除骨料的基质料浆）中的发气性能进行了试验研究。试验结果表明，金属铝粉的发气起始时间只与环境温度和浇注料基质浆料中水泥含量即碱性有关；在加量相同时，金属铝粉的发气量与其细度及环境温度有关。试验研究结果，对金属铝粉作为防爆剂及抗氧化剂在浇注料中的有效、安全应用，具有一定的指导意义。Abstract：关键词 金属铝粉，防爆剂，发气，防爆浇注料Keywords: 金属铝粉作为防爆剂及抗氧化剂等在国内外被广泛采用，然而一旦控制不好，极易造成浇注体发生鼓胀开裂，导致结构强度降低。这是因为金属铝粉在浇注料中反应产生气体的量和速度与铝粉的活性、细度、纯度，以及结合剂的硬化情况、环境温度等工艺因素都有很大关系1。查阅国内外文献发现，这些工艺因素对浇注料中金属铝粉发气性能的影响方面的研究很少，且大多数也仅从浇注料添加金属铝粉后的表象概述出：“金属铝粉粒度越细、加入数量越多，则与水反应发气越剧烈，产气量越多越集中，越易产生鼓胀开裂，影响体积密度，降低强度，所以必须严格控制金属粉的细度与加人量2-5”。此结论对指导金属铝粉的实际应用而言显然是不够的，也是很多文献提出慎用金属铝粉的原因。 要有效避免金属铝粉作为防爆剂给低水泥浇注料带来的不利影响，就必须了解金属铝粉在浇注料中的反应行为，研究在不同条件下金属铝粉的发气过程。本文从金属铝粉的粒度、加量，环境温度及水泥加量四个方面，对其在浇注料中的发气过程进行定量的试验研究，对金属铝粉在浇注料中的安全、有效的应用，提供依据。1 试验1.1 原料及基础配比表1.1-1为试验所用主要原料性能指标。基础材料方案是普通低水泥结合刚玉质浇注料，见表1.1-2。由于刚玉骨料对金属铝粉在浇注料中的反应不会产生任何影响，所以为试验方便，只采用刚玉质浇注料的基质部分。表1.1 -1 试验用主要原料及化学成分成分 %原料名称Al2O3SiO2Fe2O3CaONa2OMgO棕刚玉95.880.920.150.340.18白刚玉99.10.050.07-0.29-纯铝酸钙水泥69.350.20.1929.25-SiO2微粉1.2950.90.3-Al2O3微粉94.50.0590.021-0.27-金属铝粉60目、100目和200目北京银之星工业公司表1.1-2 作为基础材料方案普通低水泥结合刚玉浇注料原料粒度 目百分比 %骨料棕刚玉6mm-0mm64基质粉料棕刚玉粉200目10白刚玉粉325目1295US2氧化铝微粉5石英粉43P0.12CA7031.2 基质料浆的制备方案本文主要从环境温度、金属铝粉粒度、加量及水泥加量四个工艺因素制定基质料浆的配制方案，方案如下：固定外加金属铝粉的粒度（200目）及加量（外加浇注料总质量的0.15%），变动环境温度进行发气情况变化的测定研究；固定外加金属铝粉的加量（外加浇注料总质量的0.15%），在相同温度下，对三种不同粒度金属铝粉（60目、100目、200目）进行发气情况变化的测定研究；在相同温度下，采用同一粒度的金属铝粉（200目），变动其加量（外加浇注料总质量的0.15%、0.2%、0.25%、0.3%），进行发气情况变化的测定研究；对于低水泥结合刚玉质浇注料而言，影响料浆碱性的主要是水泥的用量。从理论上可知，碱性环境对金属铝粉反应的快慢有一定影响。因此固定金属铝粉及环境温度等因素，仅变动水泥加量（0、3、4、5）进行了发气情况变化的测定研究。每次按上述设计方案称取含金属铝粉的基质粉料200g，加水40g，于烧杯中进行搅拌2-3min，搅拌成均匀浆体。将搅拌好的浆体立即灌入反应瓶中，并迅速检查装置气密性，确认装置气密性良好后，正式进入试验数据记录阶段。1.3 试验方法图1.3-1 金属铝粉发气装置示意图试验采用如图1.3-1所示制气收集装置，将反应的浆料（低水泥刚玉浇注料的基质部分）置于反应瓶中。为保证料浆的环境温度的稳定性，反应瓶放置在可控温度的恒温水浴箱中。反应所放出的氢气，采用量筒（最小刻度为1ml）排水换法收集并记录。 试验数据记录要求：自向基质粉料中加水时开始计时，每隔5min记录一次量筒中水被排除的体积，直至发气终止。在20min内发气量小于2ml时，可视为发气终止。2 结果与讨论从记录的试验数据，可以整理出发气总量Vt、起始发气时间t0，并可根据发气时间及发气量计算出发气的平均速度vt及峰值速度vm。下面就以上几个参数做对比分析。2.1 环境温度对刚玉质料浆中金属铝粉发气性能的影响从图2.1-12.1-3中可以看出：t0并不等于0，随温度的升高而减小，说明金属铝粉易氧化的特性使金属铝粉表面形成一层氧化铝薄膜而钝化；如果内部金属铝要发生反应放出气体，表层的氧化铝钝化薄膜必先被反应掉方可进行。对此化学反应而言，温度高反应速度快，氧化钝化膜反应消失也就快，内部金属铝发气反应起始时间就会相应提前。随料浆环境温度的升高，tsm和tme减小，vt和vm增大；但发气总量Vt却有规律的减少。说明金属铝粉在低水泥结合的刚玉质料浆中存在两种反应，一种是酸碱反应，另一种是氧化反应。金属铝粉发生酸碱反应即会产生氢气，反应方程式如下：2Al + 2OH + 6H 2 O 2 Al(OH) 4 + 3H 2 ；而发生氧化反应首先生成的是Al2O3，反应方程式如下：2Al + 3O 2 Al 2 O 3 r H = -3339kJ/mol），由于该反应是放热极易自发进行，因此不会产生氢气。由于氧化反应受温度的影响较大，因此随温度的升高，金属铝粉氧化反应速度相对酸碱增加略快，致使总发气量有所减小。图2.1-1 不同温度下料浆中200目金属铝粉的发气量累计变化图 2.1-2 不同温度下料浆中200目金属铝粉的起始发气时间t0图 2.1-3 不同温度下料浆中200目金属铝粉的发气速率vm、vt2.2 相同环境温度，不同粒度金属铝粉于料浆中发气情况图 2.2-1 25时不同粒度金属铝粉的发气量累积变化图 2.2-2 25时不同粒度金属铝粉的起始发气时间t0图 2.2-3 25时不同粒度金属铝粉的起始发气速率vm、vt从图2.2-12.2-3中可以看出：不同粒度的金属铝粉在环境25时，t0基本相同，其值在180-185min之间。可见无论金属铝粉的粒径是大还是小，其氧化铝薄膜的厚度应该基本一样。所以在环境温度相同时，金属铝粉开始发气的时间相差无几。不同粒度的金属铝粉在环境温度25时，vt和vm随其粒度的增大而减小（即发气剧烈程度减弱）。说明加量相同时，金属铝粉粒度越大其颗粒数越少，同一时刻与料浆接触的金属铝比表面积也越小，反应发气速率越小，发气越平缓，作为防爆剂应用于浇注料中时，不易产生鼓胀而对结构性能造成影响。不同粒度的金属铝粉在环境温度25时，Vt随其粒度的增大而减小。说明大颗粒的金属铝粉，在与料浆反应过程中，颗粒周边的Al(OH) 4 和Al(OH)3逐渐增多；致使反应逐渐减弱而最终终止。从图2.2-4、5电镜照片中可以清晰看出，金属铝粉的粒度越大，其在料浆中的反应越不充分，有越多未反应金属铝粉存在。图2.2-4 残余60目金属铝粉形貌（200）图2.2-5 残余60目金属铝粉形貌（300）2.3相同粒度的金属铝粉，不同加量时料浆的发气情况从图2.3-12.3-3中可以看出：金属铝粉的加量变化对金属铝粉的t0无明显影响，但随金属铝粉加量的增大，其发气速率vt、vm及总发气量Vt均会明显增加。这与相关文献记载和我们预想的一样，本文不作进一步分析。图 2.3-1 25时200目金属铝粉不同加量下的发气量累积变化图 2.3-2 25时200目金属铝粉不同加量下的起始发气时间t0图 2.3-3 25时200目金属铝粉不同加量下的发气速率vm、vt2.4不同水泥加量时料浆中金属铝粉的发气情况从图2.4-12.4-3中可以看出：金属铝粉在无水泥的刚玉料浆中，在试验的440min内没有发生发气反应。说明由于金属铝粉表面易氧化的特性，使得金属铝粉与中性料浆中的水发生水化反应而放出气体。随着水泥量的增加， t0随之减小。说明金属铝粉的反应与水泥在料浆中产生的碱性环境有关（在料浆加水搅拌过程中，纯铝酸钙水泥中Ca3Al2O3会略有溶解。其溶解平衡方程式为Ca3Al2O36H2O 3Ca2+ +2Al(OH) 4+4OH）。水泥量增加料浆的碱性增强，钝化膜氧化铝反应均会随之增强。所以其初始反应时间随之缩短。发气速率vt、vm及总发气量Vt，随水泥量增加的变化甚微。说明在水泥加量的范围内，水泥量的增加导致料浆碱性增强，仅会影响金属铝粉的起始发气时间，而对发气速率及总发气量影响并不大。图 2.4-1 不同水泥加量料浆中200目金属铝粉的发气量累积变化图 2.4-2 不同水泥加量料浆中200目金属铝粉的起始发气时间t0图 2.4-3 不同水泥加量料浆中200目金属铝粉的发气速率vm、vt3. 试验结论及指导意义金属铝粉的发气起始时间t0随温度的升高而有规律地提前，而非加水搅拌后立即发生发气反应。25时在180min开始发气，30时在105 min开始发气，35时在80min开始发气。通过掌握这个规律的，可有效避免因浇注料的初凝时间与金属铝粉发气不匹配而给浇注料的防爆或物理性能造成的不利影响。在粒度及加量不变的情况下，金属铝粉随料浆环境温度的升高，其发气的剧烈程度随之加剧，但总发气量Vt却规律递减。所以在温度高的环境中使用金属铝粉作为浇注料的防爆剂，一定要注意其加量不可过多，否则极有可能会造成浇注体出现故障或开裂等问题。不同粒度的金属铝粉在环境温度25时，开始发气的时间t0基本相同，而发气速度vm和vt以及总发气量Vt随其粒度的减小而增大。粗颗粒的金属铝粉在会因表面被氧化钝化或生成物覆盖包裹6而停止反应，所以浇注料仍残存有未反应的金属铝。接触铁水的铝碳化硅碳质浇注料而言，可尝试使用粗颗粒的金属铝粉，如用60目替代200目，通过适当提高用量来解决防爆问题，同时残余的金属铝粉还能起到防氧化和提高中高强度的作用。金属铝粉的加量变化对金属铝粉的发气起始时间t0影响轻微，但随金属铝粉加量的增大，其总发气量Vt及发气速度vm和vt均会明显增加。所以在配制防爆浇注料时，切不可单独追求发气造孔防爆而过量添加金属铝粉。随水泥量的增加，金属铝粉的起始发气时间t0随之缩短；发气速度vm和vt，随水泥量的增加则变化甚微。无水泥的刚玉料中金属铝粉几乎不发气。所以在配制防爆浇注料时，除考虑金属铝粉及环境温度外，水泥的用量也不能忽视。此三个因素相互关联，遗漏或考虑不充分都会对防爆浇注料的防爆性或物理性能造成较大影响。参考文献1 王守业,王战民,崔天虹等.铝粉对铁沟浇注料性能的影响M.Ln：金属学会.第二届不定形耐火材料学术会议论文第二届不定形耐火材料学术会议Z,宜兴1993. 洛阳金属学会,1993:22 吴靖斌.高炉铁沟料的发展问题J.马钢科研,1995,1(4):31-38 3 赵日广.浇注耐火材料的干燥方法J国外