结合剂对莫来石浇注料性能的影响讲解

结合剂对莫来石浇注料性能的影响

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摘要

简介了莫来石注料的定义及发展，莫来石浇注料的定义，介绍了结合剂的定义和发展概况，研究了结合剂加入量对浇注料密度、耐压强度、抗折强度和烧后线变化率的影响并得出适当提高焙烧温度有利于浇注料密度和抗折强度的提高。

关键字：耐火，莫来石，浇注料，结合剂

1绪论

1.1 浇注料的定义及发展 (3)

1.2 莫来石浇注料 ................................................................................ 错误！未定义书签。

1.2.1 莫来石定义 ......................................................................... 错误！未定义书签。

1.2.2 莫来石浇注料特点 (6)

1.3 结合剂 .......................................................................................... 错误！未定义书签。

1.3.1结合剂定义 (10)

1.3.2结合剂分类 (7)

1.3.3高铝水泥结合剂 (9)

1.4 实验目的及意义 (10)

1.4.1实验目的 .............................................................................. 错误！未定义书签。

1.4.2实验意义 .............................................................................. 错误！未定义书签。

2 实验部分

2.1 耐火浇注料试样的制备 (11)

2.1.1耐火浇注料原料、结合剂和添加剂的选取、配料和成型

2.1.2耐火浇注料的烘干 .............................................................. 错误！未定义书签。

2.1.3 耐火浇注料的焙烧 ............................................................. 错误！未定义书签。

2.2 耐火浇注料性能测试 .................................................................. 错误！未定义书签。

2.2.1 110℃×24 h烘干后密度测定

2.2.2 110℃×24 h烘干后强度测定

2.2.3 耐火浇注料1100℃×3h烧后线变化率测定

2.2.4 耐火1100℃×3 h烧后体积密度测定

2.2.5耐火1100℃×3 h烧后强度度测定

3 实验数据分析 (18)

3.1 试样在110℃干燥后的数据分析 (18)

3.1.1 密度数据分析 (19)

3.1.2 抗折强度数据 (20)

3.1.3 耐压强度数据分析 (20)

3.2 试样在1100℃处理后的数据分析

3.2.1密度数据分析

3.2.2抗折强度数据分析

3.2.3耐压强度数据分析

3.2.4线变化率数据分析 (23)

4 结论

致谢 (24)

参考文献 (25)

1 绪论

1.1浇注料的定义及发展

1.1.1 浇注料

耐火材料分为定型耐火材料和不定型耐火材料。不定型耐火材料通常指浇注料，是由多种骨料或集料和一种或多种粘和剂组成的混合粉状颗料，使用时必须和一种或多种液体配合搅拌均匀，具有较强的流动性和可塑性。

水硬性结合浇注料在常温下凝结硬化并通过水化作用而硬化，主要品种有硅酸盐水泥、普通铝酸钙水泥、纯铝酸钙水泥、电熔纯铝酸钙水泥浇注料等。化学结合浇注料在常温下一般通过加入促硬剂形成化学反应而硬化，主要品种有水玻璃、硫酸铝、磷酸盐浇注料等。凝聚结合浇注料为在煅烧过程中经烧结作用而硬化，主要品种有莫来石浇注料等。

耐火浇注料是在低水泥系列耐火浇注料基础上开发的，是近年来得到蓬勃发展的一类耐火浇注料。其品种有高技术、高性能和高纯度耐火浇注料，含铬、含碳和微膨胀耐火浇注料等，主要用于钢铁熔炼炉、钢包、中间包和流化床锅炉和蓄热式加热炉等热工设备上，提高了使用寿命，获得了良好的经济效果。耐火浇注料采用优质高纯或合成耐火原材料和外加物、超微粉技术、优良结合剂和高效外加剂，在耐火材料基本理论的指导下，根据各类热工设备使用和操作条件的不同，科学制定材料配方，精密调配粒度组成，合理选择结合剂和外加剂，配制成性能优良和长寿的新技术耐火浇注料。以钢包用高技术耐火浇注料为例，在高温使用条件下的特点是子结合、自烧结、自膨胀。“三自”原则在

新技术耐火浇注料中，也有不同程度的体现，因此其性能优良，使用寿命显著提高。

优质高纯或合成耐火原材料是配制新技术耐火浇注料的基础，也是生产高效性不定形耐火材料的基础。如板状刚玉、致密刚玉、白刚玉、刚玉莫来石、铝镁尖晶石、高纯镁砂和球状高铝矾土熟料等。另外，采用优质矾土熟料等原料，经过工艺配料烧结或电熔后，制成的棕刚玉、白刚玉、亚白刚玉和铝镁尖晶石等，统称矾土基合成料，经过适当的工艺处理，其性能优良，可部分取代氧化铝基合成料，得到广泛应用。

耐火浇注料的性能优良，是指其性能指标适合热工设备的使用要求，能达到长寿的目的。离开窑炉的长寿，过度追求搞得性能指标，是毫无益处的。新技术耐火浇注料的应用范围也是有界定的。例如，超微粉结合镁质耐火浇注料在钢包渣线上应用，效果较好，但在加热炉炉底作抗渣料，因使用温度约为1200 ℃，达不到烧结强度，难以取得好效果。耐火浇注料是不定形耐火材料发展史上的里程碑，其重要标志是进入炼钢炼铁的高温熔炼炉中，并取得显著效果。今后，将根据窑炉及其热工设备的使用和操作特点，采用高级原材料，科学配方，合理级配，精心制作，开发出高性能和功能性的新技术耐火浇注料，以满足我国钢铁工业突飞猛进发展的需要。

1.1.2浇注料发展历史

七十年代, 不定形耐火材料在国内外都有了很大的发展, 由于工业窑炉形状的大型化、复杂化，使得异形砖更为复杂，给制砖和筑炉都带来了很大的困难。美国W·A·LSSHAEFER认为：把补强材料埋入成型前的材料内, 在现场结合炉子的形状，施工是很简便易行的。自八十年代起，我国少数厂家把这种新的设想用于轧钢加热炉上。实践证明，浇注料除具有整体性好、抗剥落等优点外,还可提高窑炉的寿命，增加气密性，提高加热速度，从而增加产量，节省燃料并能降低维修费用。所谓浇注料就是炉体采用的不定形耐火材料象混凝土一样浇灌，故叫浇注料，是不定形耐火材料中生产量较大的一个品种。浇注料的

生产，省去成型和烧成工序，大大简化了工艺和设备，有利于产量提高和成本降低，且生产灵活性较大，能耗较小。

1.2 莫来石浇注料

1.2.1 莫来石

莫来石（或莫乃石）是一系列由铝硅酸盐组成的矿物统称，这一类矿物比较稀少。莫来石是铝硅酸盐在高温下生成的矿物，人工加热铝硅酸盐时会形成莫来石。天然的莫来石晶体为细长的针状且呈放射簇状。莫来石矿被用来生产高温耐火材料。在C/C复合材料中多作为热障涂层，应用广泛。作为耐火材料,莫来石具有许多优异的性能:(1)高熔点；(2)优良的抗蠕变性能，在载荷作用下只有很小的形变；(3)低热膨胀,使之具有优良的抗热震性；(4)优良的抗腐蚀性能；(5)高剪切模量。利用这些优异的性能，莫来石可作为许多工业领域的耐火材料。

钢铁工业是耐火材料的最大市场。以莫来石为基的砖可用于各种窑炉的内衬。例如，它是熔炉、鼓风炉、炽热铁浇槽以及连续浇铸炉上部分内衬的主要组成。莫来石砖可分为两种类型:莫来石砖和高铝砖。前者以高岭土或叶蜡石为原材料制得,因此,它是一种富SiO2莫来石,其显微结构包括莫来石、方石英相和玻璃相,后者Al2O3的含量超过50%,主要由铝硅酸盐矿物如蓝晶石、红柱石、硅线石、烧结莫来石以及铝土矿加二氧化硅制得,其显微结构包括由玻璃相结合的发育良好的莫来石和α-Al2O3。尽管近年来许内衬已由电熔莫来石改Al2O3-ZrO2-SiO2电熔砖,莫来石砖仍用于炉的前膛。莫来石耐火砖也是水泥工业中高温区内衬的重要组成,例如在旋转窑的煅烧和冷却区。此外，莫来石陶瓷和莫来石-堇青石复合材料还用于垫板、烧箱以及顶柱，因为这些应用要求烧结中低蠕变好的耐热性以及优良的抗腐蚀性能。

莫来石可以采用电熔法合成，也可以采用烧结法合成；可以采用化工原料合成，也可以采用天然矿物原料合成，电熔法合成的莫来石晶粒发育良好，呈针状或柱状，解理明显，易于破碎；烧结法合成的莫来石晶粒细小。通常呈粒状，无明显的解理存在，破碎比较困难。采用化工原料合成的莫来石纯度较高，

而采用天然矿物原料合成的莫来石，通常含有较多的杂质。

烧结法合成莫来石的工艺因素分散细度：烧结法合成的莫来石主要是依Al2O3与SiO2之间的固相反应完成，提高原料的细分散度，将会加速固相反应的进程。特别是<8μm的微粒对莫来石形成合和烧结作用很大，根据一些研究质料表明，合成莫来石的烧结温度取决于<4μm所占的比例，当材料的粒度都在4μm以下时，材料的致密度最高。合成莫来石一般在1200℃即开始形成，到1650℃时终止。此时显微晶状，当温度超过1700℃时，结晶才发育良好。因此，合成莫来石的煅烧温度应>1700℃，当采用天然原料配制时，由于原料带入少量杂质成分，煅烧温度略低些。当其配比中Al2O3含量达到90%以上，可制备出烧结良好的莫来石熟料。电熔合成法是将配料混合后装入电弧炉中熔融生产合成莫来石熟料的一种方法。当采用熟料为颗粒料时，其温度应>1700℃，当用颗粒和细粉按比例配合时，烧成温度为1550℃～1600℃。

就目前世界上，合成莫来石的工业生产而言，主要有两种方法：烧结合成莫来石和电熔合成莫来石。英、美等一些国家就从容易得到的矿物(如高岭石、叶腊石、硅线石、蓝晶石、红柱石等)来人工合成莫来石，1926年用电熔法制得莫来石，1928年用烧结法制得莫来石。莫来石的工业生产始于60年代，70年代产量猛增。到了1998年，世界年产莫来石及其熟料制品约20万吨实际上，在耐火材料工业中所使用的莫来石熟料，大多是用天然矿物原料或者大部分采用天然矿物原料来合成。与高纯电熔莫来石相比，采用全天然原料或部分天然原料用烧结法合成的莫来石具有成本低、性能适中的特点，因而具有较大的市场。目前，世界上电熔莫来石的年消耗量为1～2万吨，烧结莫来石则为50～60万吨，所以莫来石原料大都通过烧结法来合成。因此研究影响烧结合成莫来石的因素对指导生产莫来石以及提高烧结莫来石的质量都有着积极的意义。

1.2.1 莫来石浇注料定义

莫来石是一种具有良好力学、化学及高温性能的耐火矿物,其熔点可达1910 ℃，硬度大,高温蠕变小,抗化学腐蚀性好。在Al2O3一SiO2系制品中，

莫来石一般呈现针状或短柱状结晶，并形成交叉网状结构。这种交叉编织结构，使得耐火制品具有较高的结构强度。在轻质耐火骨料中，莫来石的这种晶体交叉编织，还可望形成一种架状多孔隙结构，从而使骨料既具有较高的气孔率。莫来石浇注料初始加热时具有很强的抗热爆炸性、较高的机械强度、优良的抗热震性等特点，适用于耐剥落及耐磨性优良的衬里部位。

1.2.2 莫来石浇注料特点

（1）热态稳定性好

高性能莫来石浇注料采用了纯度高、杂质低的优质合成莫来石原料，并且严格控制基质组成，形成了莫来石网络骨架结构，使得浇注料的热态强度提高，增强了浇注料的抗剥蚀性能，延长使用寿命。

（2）热震稳定性好

由于莫来石的热膨胀系数小，故耐热震稳定性好，同时莫来石为棒状晶体，热膨胀为各向异性，使浇注料在烧结过程中内部形成大量微裂纹，提高了浇注料的韧性，缓冲热应力，终止裂纹的扩展。高性能莫来石浇注料具有较高的抗热冲击能力和抗结构剥落性能，热震稳定性好，荷重软化点高,高温蠕变值小，硬度大，抗化学腐蚀性好等特点。

1.3结合剂

1.3.1 结合剂定义

结合剂是指固结模具中各类结合剂与磨料粘结的材料。固结磨具通常采用陶瓷、树脂、橡胶、菱苦土四大类别结合剂。结合剂可分无机结合剂和有机结合剂。结合剂[1]必须具备以下性能：强度高，有较高的耐热性，具有适当的硬度，磨削消耗小，磨削效率高，加工出的工件表面粗糙度要好，填料必须经济，而且能溶于酸或碱，便于回收。1.2.2 分类和发展按照种类可分为：无机结合剂和有机结合剂。无机结合剂包括陶瓷结合剂，金属结合剂，菱苦土结合剂。有机结合剂包括树脂结合剂，橡胶结合剂。

1.3.2 结合剂的分类

(1)树脂结合剂

其本身具有良好的弹性和有抛光作用，形成磨具后，仍具有良好的自锐性，不易堵塞，修整少，而且磨削效率较高，磨削温度较低，磨削的表面光洁度高，所以应用范围十分广泛。与金刚石磨料结合形成树脂结合剂金刚石磨具，经常应用于硬质合金工件、钢基硬质合金工件，以及部分非金属材料的半精磨、精磨等；与树脂结合剂结合形成树脂结合剂立方氮化硼磨具，主要用于高钒高速钢刀具的刃磨和工具钢、模具钢、不锈钢和耐热合金工件的半精磨、精磨等。但树脂结合剂对磨料的把持性较差，耐热性也较差，导致高温磨削下磨具的磨损大，尤其在大负荷磨削时尤为明显，常以采用镀附金属衣磨料来加以改善。

(2)陶瓷结合剂

此种结合剂对磨料的结合强度优于树脂。形成磨具后，工作表面容屑性能好，所以不易堵塞、切削锋利、磨削效率高，以及热膨胀量小，容易控制加工精度，这些特点有利于磨削过程的平稳进行。在磨具的整形和修整方面，操作起来相对容易，一般用于粗磨、半精磨，以及接触面大的成型磨削等。

陶瓷结合剂是应用日益广泛的一种结合剂。陶瓷结合剂与金刚石磨料结合时的稳定性比较好，在陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮领域取得了良好的市场和口碑。陶瓷结合剂与金刚石磨料结合时，难度系数比较大，陶瓷结合剂金刚石砂轮的研发受到了阻碍。河南胜创超硬材料有限公司工程师克服了金刚石的耐热性较差，陶瓷结合剂烧结时必须温度很低等技术难题，工程师率先在国内生产出磨宝石用的陶瓷结合剂金刚石砂轮，并制定了多种砂轮规格，得到了宝石加工领域的青睐。2012年前研发的磨PCD/PCBN刀具陶瓷结合剂金刚石砂轮、磨金刚石复合片陶瓷结合剂金刚石砂轮等系列陶瓷结合剂金刚石砂轮在市场取得了良好的口碑。

(3)金属结合剂

包含青铜结合剂和电镀结合剂两大类。电镀结合剂是一种结合强度更高的

结合剂，一般将单层或多层磨粒用电镀方法镀在金属基体上，该种结合剂磨具工作表面上单位面积的磨粒数比其它几种结合剂高得多，而且磨粒都裸露出结合剂表面，因而切削锋利，磨削效率高。但受镀层厚度限制，磨具总的使用寿命不高，一般用于特殊用途加工，如成型磨削用磨具、小磨头、套料刀、电镀铰刀、锉刀等。随着技术水平的不断进步，立方氮化硼电镀金属结合剂磨具的应用在日益扩大，特别在加工各种钢类零件的小孔、型腔时更为突出，不仅磨削效率高，经济性好，还可获得较好的形状精度。青铜结合剂磨具是以铜粉、锡粉为主要材料和补充改善其性能的其它材料充分混和，再将磨料加入其中混合均匀，然后置于模具中压制成型，烧结而成。该种磨具的结合剂和磨粒的结合强度高，耐磨性好，磨损小，所以使用寿命长，而且能够保持良好的形状，故能承受较大的负荷。但缺点是自砺性差，表面容易堵塞，发热大，修整也十分困难。主要用于玻璃、陶瓷、石材、建材、混凝土、半导体材料等非金属材料的粗磨、精磨和切割工序，少量用于硬质合金、复合超硬材料的磨削加工，以及成型磨削和各种珩磨、电解磨削等。

1.3.3 高铝水泥结合剂

高铝水泥的特征是在常温下会发生水合反应和硬化，且在从常温至高温这种大温度范围内具有稳定的强度。另一方面，施工时与温度有相互关系，因此适当控制可使用时间是一个课题。与高铝水泥相比，无机结合剂和有机结合剂在常温下却几乎不会发生水合反应(指热硬化性)，且比高铝水泥容易确保可使用时间。另外，使用高铝水泥时会出现所含CaO的物理特性在高温下下降和干燥时容易发生爆裂等问题。因此，在使用高铝水泥时，虽然有各种问题，但它具有其它结合剂所没有的良好特性，所以在解决这些课题之后，仍被广泛使用。结果，由于最大限度地减少高铝水泥在使用中的缺点，充分利用其优点。因此，高铝水泥配比量低的低水泥浇注料基本上成为主流。

高铝水泥以矾土或氧化铝和石灰为原料，用电炉或平炉等进行熔融，或用煅烧炉进行煅烧而成。①高铝水泥是CaO和A1203的复合矿物，由于这种成分的

配比和高温加热条件的不同，因此会产生各种各样的矿物形态。高铝水泥所含的矿物组成主要是CaO· A12O3、CaO·2Al203和12CaO·7Al103等铝酸钙。此外还含有CaO·A1203·SiO2和4CaO·Al2O3·Fe2O3等原料夹杂物。由于矿物组成的不同，因此水合反应和硬化状态也不同。尤其是12CaO·7A110 具有水合反应和硬化反应非常快的特征。②虽然高铝水泥增加了高纯度的矿物，CaO和A1203，的总含量超过99％，但从总体来看，以CaO低于30％、A1：0含量高的矿物组成为好特别是还开发了A1203含量为70％～90％的高铝水泥，并已投入实际应用。另外．使用矾土作氧化铝原料时，除CaO和A1：0外，还含有SiO2和Fe：O 等，这些矿物会对高铝水泥的高温物理特性产生不良影响。③从水台反应和水硬性的观点来看，矿物的平均粒度一般是1～10pLm，细度(布莱恩）是4000～8000era /g，但还根据用户的需要做不同的设定。④从高铝水泥析出的Al3+这种多价离子或H+和OH-离子pH会影响高铝水泥的水合反应和硬化反应。因此为了适当控制其影响，一般采用如下试剂。这些试剂的选择很重要。分散剂：能使含有高铝水泥的细粉在水中也可以均匀分散(不凝结)例如：三聚磷酸钠或六聚偏磷酸钠等磷酸类，柠檬酸或柠檬酸钠等羟基碳酸类。硬化延迟剂：能延迟高铝水泥的水合反应和硬化反应，确保可使用时间。例如：硼酸类，氟硅酸盐和葡萄酸钠等羟基碳酸类。硬化促进剂：能促进高铝水泥的水合反应和硬化反应(特别是在冬季低温施工时)。例如：碳酸锂等锂钠、铝酸钠和熟石灰等。⑤在碱性骨料和含有碱性骨料与碳的骨料中，为改善抗熟化性和与水的溶化性，有时要对骨料做些表面处理。由于这些骨料被水润湿后会对高铝水泥的水台反应和硬化反应产生影响，因此必须进行充分的考虑。

1.4 实验目的及意义

1.4.1 实验目的

1、熟悉莫来石浇注料的基本概念、术语，掌握莫来石浇注料的基本性能；

2、详细了解莫来石浇注料制备工艺原理及方法，能够根据实验要求提出工艺设计思路；

3、重点掌握莫来石浇注料组织结构及性能的影响因素；

4、了解课程设计的一般方法，掌握浇注料的性能测试与研究方法；

5、掌握课程设计论文的一般要求，并完成一篇论文。

1.4.2 实验意义

通过实验加深对本课程设计基本知识的理解，提高综合运用知识的能力；掌握本课程的主要内容、工程设计和撰写论文的步骤和方法；学会应用有关设计资料进行设计计算和理论分析的方法；熟悉实验原理和操作技能、处理实验数据、分析实验结果和编写实验报告并总结结合剂加入量对莫来石浇注料性能的影响。

课程设计要严肃认真，要以一丝不苟的态度进行设计，充分发挥主观能动性，通过课程设计树立起正确的设计思想和良好的工作作风。

2 实验部分

2.1 耐火浇注料试样的制备

2.1.1耐火浇注料原料、结合剂和添加剂的选取、配料和成型

(1) 实验仪器、浇注料原料、结合剂和添加剂

各种粒度耐火原料

结合剂、添加剂

分析天平（精度：0.1g）

搅拌机

振动台

(2) 耐火浇注料混料及过程

配料：按照设计实验配方与测试块的个数配料，耐火原料骨料按粗（5～

3mm）、中（3～1mm）、细（1～0mm）、粉体（<0.088 mm）四级配料，以高铝水泥为结合剂，高铝水泥加入量为8～15%（重量比），水加入量为8～12%（重量比，外加）。共设计5个配方，分别改变耐火原料种类及结合剂用量进行配料。

●混料：将每一配方的耐火原料骨料、细粉、结合剂和添加剂加入搅拌机进行

混合。再将量好的水缓慢的加入搅拌机，根据混料情况确定合适加水量。

●成型：将混好的浇注料装入三联模（40×40×160 mm）振动成型，成型时要

尽量排出试样内气体，清理出多余原料，使试样表面平整。

●试样成型24 h后脱模，脱模后的试样需经48 h常温加湿养护。

● 2.1.2 耐火浇注料的烘干

●实验仪器：电热干燥箱，精度：110℃±0.5℃

●烘干：养护好的试样必须经过充分地干燥，以便测试其常温体积密度、抗折

强度和耐压强度，同时可避免烧成过程中试样开裂。养护好的试样自然晾干后，放入烘箱中110℃×24 h烘干。

● 2.1.3 耐火浇注料的焙烧

●实验仪器：高温实验炉，精度：900～1100℃±1.0℃

●将试样放入高温炉内，试样必须单层摆放，试样之间需有5 mm的间隙，然

后按升温曲线升温。焙烧温度对耐火浇注料烧后性能及最终使用性能的判定有重要作用，是耐火浇注料主要检验指标。为了对比焙烧温度对耐火浇注料性能的影响，将每组配方的样品分别在900℃、1100℃焙烧，然后自然冷却至室温。当冷却至室温后，将样品取出并放干燥处，以备测试性能。

●本实验中试样焙烧的升温曲线为：室温～600℃：5℃/min；600℃～900℃：

4℃/min；1000℃～最高焙烧温度：3℃/min；在最高焙烧温度保温3h。

2.2 耐火浇注料性能测试

2.2.1 110℃×24 h烘干后体积密度测定

(1) 实验目的