结合剂对Al2O3-SiC-C超低水泥自流浇注料的影响.doc

武汉科技大学本科毕业设计外文翻译

The effect of deflocculants on the self-flow characteristics
of ultra low-cement castables in Al2O3–SiC–C system

Sasan Otroj, Mohammad Ali Bahrevar, Fatollah Mostarzadeh ,
Mohammad Reza Nilforoshan

Ceramics International 31 (2005) 647–653

结合剂对Al2O3–SiC–C超低水泥自流浇注料的影响

萨桑·奥托依,默罕默德·阿里·巴哈雷法,法拖阿·莫斯塔扎,默罕默德·雷纳·尼尔佛洛桑
国际陶瓷 31 (2005) 647–653
摘要
通过对几种结合剂对Al2O3-SiC-C超低水泥自流浇注料性能的研究，发现结合剂的粘度和PH值对高铝自流浇注料性能影响较大。
我们研究发现，用0.06%（浇注料质量的0.06%）的聚丙烯酸钠作为Al2O3-SiC-C超低水泥自流浇注料的结合剂性能最好。
1．引言及简介
在70年代后期，低和超低水泥浇注料（LCC的和ULCC）开始取代部分二氧化硅和氧化铝颗粒反应生成的细水泥浇注料（1-100毫米）和超细水泥浇注料（<1毫米）。高温性能测试发现，这主要是由于超低水泥浇注料的高密度堆积填充了骨料之间的空隙（>100毫米）。
由于水泥含量的减少和较高的体积密度，高铝水泥浇注料对水的需求降低。因此，无论LCC和ULCC都比传统的中型水泥浇注料具有更好的物理性能。此外，粒度分布是改善浇注料流动性的重要因素。微细和超细颗粒可以提高流动性之间的间隔距离。自流浇注料的可泵性已经被用于提高和改善流动性。
自流浇注料自身的特点是不用外力震动他们能够自己流动。除了对浇注料原料的选择之外，事实上，从这种改进流动性发展来看，选择适当的结合剂也是现代自流浇注料的关键因素。
高炉出铁沟用耐火材料需要耐高温和高抗热震性，还应具有良好的耐侵蚀性，而Al2O3-SiC-C超低水泥自流浇注料具有上述优良性能。
主要原料是气相二氧化硅，活性氧化铝，铝酸钙水泥（CAC），碳化硅和碳（石墨或焦炭）。原料及比例如表1所示：
表1
原料

wt.%
板状氧化铝
美铝公司化学品，T-60
63.5
碳化硅
中国出产
15
电熔白刚玉细粉
Palayesh Gatran-Iran
3
硅灰粉
埃肯，971U
4.5
活性氧化铝
美铝公司化学品，CTC20
12.5
铝酸钙水泥
拉法基 Secar 71
1.5

在高铝浇注料中碳化硅常用来增加热电导率和降低热膨胀系数，提高其抗热震性。碳由于其非湿润性可以抑制金属和炉渣的腐蚀，这些原料增加了浇注料基体颗粒的复杂性，这主要是由于碳化硅的非氧化性和碳的降低润湿能力。
许多文章已经对含有碳化硅，碳的低分散系统高铝水泥浇注料做了研究。然而，他们很少注意在相同系统的超低水泥浇注料。
本文通过结合剂对超低水泥自流Al2O3-SiC-C的浇注料性能的影响研究。对四种结合剂对浇注料性能研就看，聚丙烯酸钠溶液（钠聚丙烯酸），柠檬酸（CA），三聚磷酸钠（TPP）与六偏磷酸钠（HMP）对其粘度和自流性进行了研究。

2.实验过程
2.1.原材料和组成
原料使用的氧化铝，碳化硅-碳超低水泥自浇注料组成流动系统由表一列出。浇注料基质由平均粒径小于100毫米和比表面积（>1平方米/克）构成的。其纯度和物理特性在见表2.我们采用4组实验作对比，他们使用的低水泥浇注料见表3.这是一个由不同结合剂组成的，耐火度弥补了其低润湿沥青的能力。结合剂是由[C16H33(OCH2CH2)
20OH, 1120 g/mol, Sigma–Aldrich]组成的。通过对几组试样对比测试，最佳质量分数为0.02％左右。
表2 纯度及基质颗粒的物理特性
原料
特征

纯度（wt.%）
比表面积(m2/g)
密度(g/cm3)
粒度(μm)
板状氧化铝
>99
0.83
3.83
7.70
碳化硅
>97
0.54
3.22
36.73
电熔白刚玉细粉
>67
0.52
1.46
53.45
硅灰粉
>97.1
17.12
2.27
0.25
活性氧化铝
>99.7
2.10
3.91
1.90
铝酸钙水泥
(Al2O3)>70
1.00
2.93
3.03

2.2.粒度分布
该浇注料的PSD值调整到一个理论值，复合安德森曲线模型：

其中CPFT表示累计百分比，细比，颗粒大小，最大粒子尺寸（5000毫米）模量和分布。自流性的Q值应在其中CPFT，研发，开发，和q表示累计百分比细比，颗粒大小，最大的粒子尺寸（5000毫米）模量和分布，分别。以实现自我的流量，Q值应在范围0.21-0.26范围内。就目前的研究，Q首选0.24，图1表示浇注料粒度分布和Q值。

图1 浇注料的自流性与粒度关系
2.3 粘度测量
由于粗颗粒的粒径达到5000mm，很难直接衡量浇注料的粘度，他一小部分原材料<100毫米，添加剂和水决定了耐火浇注料的流动性。在粗颗粒的情况下，耐火材料的粘度可以使用同轴圆筒粘度计测量，他能提高测量范围和精度。因此，用布鲁克菲尔德数字流变仪（型号内径-Ⅲ）来测量粘度。稳态剪切流变试验中剪切率从2.5至50秒为1。由于其良好的与浇注料流动性的相关性，在50秒内第1条剪切速率表观粘度采用矩阵来进行流变分析。原材料和固体负荷用来准备矩阵列于表4。与在含浇注料黏度变化的时间钙铝酸盐水泥，表观粘度测量10分钟后，加水。这10分钟的间隔刚好等于在自我评价的流动时间的推移。
表3 Deflocculants and their sources
型号
来源
MW(g/mol)
Sodium polyacrylate (Na-PAA)
Vanderbilt
2500
Sodium tripolyphosphate (TPP)
Kimiamavad
305.91
Sodium hexametaphosphate (HMP)
Kimiamavad
469.90
Citric acid (CA)
Kimiamavad
192.13

表4 Content of raw materials and solids loading used to prepare the matrix
r epresentative suspensions
原料
wt.%
板状氧化铝
16.41
碳化硅
24.97
电熔白刚玉细粉
6.27
硅灰粉
12.55
活性氧化铝
35.30
铝酸钙水泥
4.21
固体含量
83.27

2.4.pH值测量
矩阵分析结束后的pH值测定使用aWTW521 。这些测量也是在加水10分钟。事实上，可以同时测量粘度和pH值。
2.5.自流性能测量
基于美国ASTM的C -1446-99年的标准，提供的浇注料的流动性指数对自流量进行测试。同样的质量比（水）/（固体负载），它在一个基于质量分数为6%的干固体上测量的，混合后的干料在搅拌机上搅拌，10秒钟以后加入适量的蒸馏水，混合5分钟后降低搅拌速度，然后把浇注料转移到容器中保持水分常数，10分钟后再加入适量的水，然后把浇注料放到一个直径100毫米的圆盘上，使圆盘升高，然后60秒后，测量浇注料薄饼的直径。在60秒后散布直径的百分比增加是作为自流量的依据。公式如下：

其中DF是迁移后的最终平均直径，模具的最初的直径为100毫米。DF在圆盘直径的80-110％范围内。在自流速率的测试中，环境温度控制在20–24 8C范围内。
3. 实验结果和分析讨论
各种结合剂对Al2O3-SiC-C的粘度影响明显，如图2所示可以看出，不同结合剂粘度不同，通过实验显示，使用钠，聚丙烯酸做结合剂时粘度最低。

图2 The effect of various deflocculants on the apparent viscosity of the castable matrix vs. deflocculant content (16.73 wt.% water was added to the matrix).

图3 The effect of various deflocculants on the castable self-flow vs. deflocculant content (6 wt.% water was added to the castable).

图3显示了相同自流浇注料随结合剂不同粘度不同，清楚的可以看出，最好的流动值是加入Na -聚丙烯酸结合剂。此外，最佳的结合剂含量是0.06质量分数的钠，聚丙烯酸。从图三可以看出，用Al2O3-SiC-C的自流浇注料Na -聚丙烯酸浇注料约85％，与协议自定义流浇注料在2.5节。
根据在稳定的DLVO理论胶体系统，暂时停止粘度是一个函数，其颗粒间的吸引力和排斥力。吸引力量导致絮凝和低流动性，而排斥力倾向于增加总的潜在系统，因此，增加粘度来增加流动性。对于颗粒表面组成材料的研究见表4。
表4 Content of raw materials and solids loading used to prepare the matrix
r epresentative suspensions
原料
wt.%
板状氧化铝
16.41
碳化硅
24.97
电熔白刚玉细粉
6.27
硅灰粉
12.55
活性氧化铝
35.30
铝酸钙水泥
4.21
固体含量
83.27

在通常约为20—30毫伏的水体系系统中，电荷零点在PH值为2-3之间，此时，碳化硅表面的粒子是最有可能合成氧化，导致粒子表面在一个硅羟基组中浓度增大。这些群体往往主要是去质子的羟基离子。因此，碳化硅粒子显示Zeta电位对高负值整个pH值范围内。颗粒表面的沥青也可以氧化为备考（例如，二氧化碳的功能团体的广泛范围和羧基），可随时在去质子的存在氢氧离子。因此，在场上也表现出消极的颗粒Zeta电位在pH值广泛。相反，水泥和氧化铝颗粒可能稍微平衡决于浇注料的pH值。因此，这些粒子的泥浆组合将不会稳定，但容易絮凝。钙离子容易絮凝。其结果显示最好的浇注料相当于捣打料。
为了防止浇注料的凝固，人们为了减少钙离子和硅对表面的影响，加入适量的结合剂来实现浇注料的流动性。
该结合剂在粉末表面只有阻止钙离子的吸收，才才能使其不吸收。而且结合剂能阻碍粒子表面的负电荷，能让表面粒子实现更好的分散，释放封闭的水，使自流体浇注料用较少的水。
通过比较表2和表3，可以看到不同结合剂的自流性和粘度。因此，自流的速率变化可直接表观粘度。如图4，针对不同数量的钠，聚丙烯酸。表观粘度小于375 mPa s时自流性较好。

图4 Self-flow values of castable vs. apparent viscosity of the castable matrix containing 0.06 wt.% Na-PAA and 6 wt.% water.
图5表示不同结合剂的使用对pH值的变化影响不同，该浇注料基质流变性是强烈依赖于泽塔-颗粒的，反过来，粒子强度取决于pH值。因此，我们得出结论，PH值的变化不会改变流动性。

图5 Matrix pH as a function of the deflocculants content for the different types of deflocculants.
通过和其他结合剂的对比，这种戏剧性的变化及pH值相对稳定，由于其酸性，稳定值低于6.5的Al2O3-SiC-C系统
从图2和图5，我们得出结论在Al2O3-SiC-C系统中引入钠，聚丙烯酸增加了pH值在9-10范围内的Zeta电位。较高的Zeta电位可以获得对钠的临时管理，预计结果将稳定在低表观粘度上，分散剂通过静电稳定。由于聚丙烯酸钠能提供高度的障碍，由于电空间稳定，有利于低表观粘。
根据最近的研究，氧化铝细粉是高铝自流浇注料的重要组成部分。由于氧化铝微粒在通常的PH范围内（8-10），需要加入柠檬酸和聚丙烯酸酯来中和。对聚丙烯酸酯或吸附在粒子表面柠檬酸分子造成重大更改在氧化铝表面的潜力。这是由于对柠檬酸的吸附和离子存在增加聚丙烯分子负在界面的的数目，转移到低pH值氧化铝zpc并增加在pH值范围内的绝对Zeta电位。然而，在浇注料中包含诸如低水泥及超低水泥浇注料。优良的水泥颗粒具有较高的表面密度，因此，水泥细粉是构成浇注料的重要原料 。
随着结合剂的增加，由于钙离子的释放作用，使高泽塔潜力的水泥颗粒起了负面作用。各种酸对钙铝酸盐水泥有非常有效的抑制解散作用，这能提供足够的浇注时间。解散的延误是由于柠檬酸钙，磷酸钙沉淀在水泥颗粒表面形成的结果。因此，如柠檬酸和磷酸离子的消耗，能减少分散作用，其结果是流动性的降低。在低水泥浇注料系统中，结合剂的添加如CA, HMP and TPP没有产生预期的效果。

图6 Apparent viscosity of the matrix and self-flow values of the castable vs. total water consumption for 0.06 wt.% Na-PAA.
图6显示的0.06％钠聚丙烯酸时表观粘度和自流性与耗水量（加载不同的固体）为一固定比值。可以看出，加水的最佳含量约为6-7％质量分数。如果有更多的水使用，与基体的总量将分开。
4.结论
通过对影响Al2O3-SiC-C超低水泥自流浇注料流动性的四种不同分散剂的研究发现，浇注料基质的表观粘度小于375 mPa·s时实现自流。聚丙烯酸钠是最有效的降低自流浇注料粘度的添加剂，而且0.06％的聚丙烯酸钠效果最好。从静电位机制来讲聚丙烯酸钠高流动性似乎促进了系统的流动性和其他机制。
鸣谢
第一作者要感谢的是在阿扎尔耐火材料公司研发中心的工作人员对本工作的支持。
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