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铝矾土基喷涂料性能的影响因素及施工方法

中国铝业网 摘要: 介绍了喷涂料的基本概况,阐述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、干法、半干法、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等热工设备上,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。

  由鹤壁中盛炉窑工程有限公司研发生产的喷涂料,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。另外该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造成流淌。

  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。为了促进凝结硬化而加入一些促凝剂等。现以鹤壁中盛炉窑工程有限公司喷涂料ZS-CM配方中,对少量添加物在喷涂料的作用作浅显分析。

  2.1硅微粉的影响[2]

  研究发现在耐火材料中提高细粉的细度可以促进制品的烧结,从而带来一系列优异性能。硅微粉因其具有高比表面积和高表面活性,为耐火材料制品带来了一系列优异性能,从而备受关注。

  2.1.1线收缩率

图1 微粉含量及热处理温度对试样线变化率的影响

  硅微粉表面缺陷较多,表面质点的活化和无序化较多,具有能态高、活性大的特点,从而可以促进烧结进程。随着热处理温度的提高,硅微粉逐渐转变为液相,有利于气孔的填充,而且在表面张力作用下,试样颗粒之间的距离被拉近,因此材料的收缩率增大。试样经过1500℃热处理后,随着硅微粉含量的增加,试样的线收缩率逐渐减小,直至产生膨胀。这是因为硅微粉与棕刚玉发生反应形成莫来石,同时会产生体积的膨胀,因此造成试样的线收缩减小,直至产生膨胀。当硅微粉的质量分数为5%时,材料经过不同热处理温度后的线收缩率差别不是很大,并且材料收缩率均很小,若材料收缩率过大,将会引起喷涂料在使用中因收缩带来的开裂,因此会降低材料的使用寿命。

  2.1.2体积密度

  在低温、中高温时,随着硅微粉含量的增加有利于试样内部气孔的充填,体积密度有所增大。但当试样经过1500 ℃热处理后,试样的体积密度随着硅微粉含量的增加呈现减小的变化规律,这是因为硅微粉与棕刚玉发生反应,形成莫来石,同时会产生体积的膨胀,导致试样内部结构疏松。随着硅微粉含量的逐渐增加,形成莫来石的量也相应增多,体积的膨胀也越来越明显,因此造成试样体积密度逐渐下降。

  2.1.3抗折强度和耐压强度

  在较低温度下,硅微粉颗粒表面水化后形成的Si—OH键脱水后聚合而形成牢固的由Si—O—Si键结合的微粉网状链结构所致,微粉长链反应如下:

  SiO2—Si—OH+HO—Si—SiO2→SiO2—Si—O—Si—SiO2+ H2O。

  随着这种网状链结构的增多,硅胶的结合性能也越强,因此在低温110℃下随着硅微粉含量的增多试样的抗折强度和耐压强度也相应地增加。在中高温1000、1300℃时,硅微粉与棕刚玉发生反应形成莫来石,强度增加。因此随着硅微粉含量的增加,试样的抗折强度和耐压强度也相应地增加。试样经过1500 ℃热处理后,随着硅微粉含量的增加试样的抗折强度和耐压强度先减小后增加。这是因为有液相生成,导致材料发生熔融,因此其强度值相对比较大。其后,随着硅微粉含量地增加,转化为莫来石的量也相应的增加,因此试样的抗折强度和耐压强度也相应的增加。

  2.1.4热膨胀系数

  同一温度条件下,铝矾土基喷涂料的热膨胀系数随着硅微粉含量的增加而减小。

  2.1.5结论

  (1)本实验中,制备铝矾土基喷涂料的最佳硅微粉的质量分数为5%;

  (2)经过110℃烘干,1000、1300℃热处理后,铝矾土基喷涂料的抗折强度和耐压强度随硅微粉含量的增加而增加;

  (3)铝矾土基喷涂料的热膨胀系数随着硅微粉含量的增加而减小。

  2.2铝酸钠的影响[3]

  喷涂料施工时需要有较优异的工作时间和较快的硬化,如果喷涂料在喷涂到炉衬后,在较长的时间内不硬化,就会出现喷涂料塌落的情况.在这种情况下,就需要喷涂料在施工后能在较快的时间内硬化,以防止由于硬化较慢带来的材料塌落。

  实验中将加入外加铝酸钠含量0.1%、0.2%的试样与不加铝酸钠的试样对比。

  2.2.1凝结硬化

  经过鹤壁中盛炉窑工程有限公司实验结果证明,室温下,未添加铝酸钠的喷涂料的硬化时间较长,加入铝酸钠的试样凝结硬化时间明显缩短,因此,在喷涂料中添加铝酸钠可以起到促进喷涂料硬化的作用。硬化时间缩短则工作时间也相应缩短,这便不利于喷涂料施工后的修整工作,并且过量铝酸钠的加入也会降低材料的养生耐压强度。因此,综合考虑不同铝酸钠加入量对喷涂料工作时间、硬化时间和养生耐压强度的影响,可以看出在本实验条件下铝酸钠的最佳加入量为0.1%。其作用机理为:

  CaO·Al2O3+ H2O→CaO·Al2O3·10 H2O (六方)(低于20℃~22℃),

  CaO·Al2O3+ H2O→2CaO·Al2O3·8 H2O (六方)+ Al2O3·3 H2O (>25℃) →

  3CaO·Al2O3·6 H2O (六方)+ Al2O3·3H2O(35 ℃~45℃).

  在喷涂料中添加促凝剂铝酸钠,使水泥组分中铝酸一钙、铝酸二钙等加速进入溶液析出水化物,因此加速了水泥的水化反应,使水泥得以较快速硬化,从而使喷涂料缩短了硬化时间,同时也减少了工作时间。

  2.2.2体积密度与线收缩率

  铝酸钠是一种低熔点盐类物质,将其添加到喷涂料中,在高温下较易促进材料的烧结,导致气孔不断减少,致密化程度提高,因此试样的体积密度增大。同时,烧结过程中试样内部产生液相,在表面张力的作用下,试样的颗粒之间的距离被拉近,因此随着铝酸钠含量的增加,试样的线收缩率逐渐增大。

  2.2.3抗折强度和耐压强度

  试样经过110℃烘干后,试样的抗折强度随着铝酸钠质量分数的增加而降低;经过1000℃热处理后,试样的抗折强度随着铝酸钠质量分数的增加而增大;经过1300℃热处理后,试样的抗折强度随着铝酸钠质量分数的增加无明显变化;经过1500℃热处理后,试样的抗折强度随着铝酸钠质量分数的增加而增大。试样经过110℃烘干后,以及经过1000℃和1300℃热处理后,试样的耐压强度随着铝酸钠质量分数的增加而降低;经过1500℃热处理后,试样的耐压强度随着铝酸钠质量分数的增加而增大。由此可见,在喷涂料中添加铝酸钠后,会对材料低温干燥后的抗折强度和耐压强度造成一定影响,但对材料中温、中高温的抗折强度起到了增大的作用,同时影响了材料中温、中高温的耐压强度.虽然对于高温1500℃的抗折强度和耐压强度均起到了增大的作用,但由于试样有熔融现象的产生,试样表面有裂纹,因此降低了材料的使用温度。

  2.2.4结论

  (1)在鹤壁中盛炉窑工程有限公司实验条件下铝酸钠的最佳加入量为W(Na2O·Al2O3)=0.1%.

  (2)在喷涂料中添加铝酸钠后,会降低喷涂料的使用温度。

  3 喷涂料的施工技术[4-5]

  早期,喷涂方法有干法和湿法。其中具有优势的干式喷涂一直应用比较广泛。但是干式喷涂存在粉尘大以及回弹量比较多、施工体性能较差等缺点,于是便开发出了半干法喷涂技术,从而获得了低水分和高充填性的施工体,并且具有施工时无粉尘、喷涂料附着率高等优点,因此被迅速推广应用。

  开发半干法喷涂的目的之一是避免湿法繁杂的预混合作业。由于采用湿法的优点比较明显,现在的技术兴趣又转向湿法喷涂。

  后来又研发出火焰喷涂,火焰喷涂与以前的湿法喷涂相比,具有非常好的效果。火焰喷涂层与炉衬面结合牢固,组织致密,耐火度高,耐侵蚀性强,能显著提高使用寿命,并降低筑炉材料费用。

  3.1干法喷涂

  干物料由料仓中进入旋转布料桶中,布好料的布料桶旋转一定角度,其上口与压缩空气通道相连接,物料被压缩空气通过管道输送到喷嘴附近与水相遇,在喷嘴中物料与水混合后被喷到受喷面上。

图二:干湿喷涂的设备结构及流程

  采用干式喷涂时要注意以下事项。

  (1)加水量要适当。过少物料不能被很好的润湿,干物料容易被弹回;加水量过大涂层容易发生流淌,同样降低吸附量。

  (2)喷射的风压与风量要适当,过大颗粒对被喷射面冲击过大,易回弹,过小,粘附力不足易脱落。

  (3)喷枪口与受喷面的距离角度应合适,避免使物料喷射到受喷面的力过大或过小。喷枪上下左右移动以保证厚度均匀。

  (4)每次喷涂的厚度不宜太厚,太厚容易剥落,不超过50mm。

  (5)控制物料塑性与凝固性,使物料能很好的吸附在喷涂层上,并能较快地凝固而获得一定的强度。

  3.2湿法喷涂

  鹤壁中盛炉窑工程有限公司自主研发的湿式喷涂是将流动性好的浇注料用泵通过管道送到喷嘴,在喷嘴中被高压气流喷射到工作衬上方法。其工艺流程与干法的基本相似,主要区别在于预先将耐火喷涂料搅拌成泥浆状,供喷涂使用。其工艺过程包括四个主要阶段:混合、泵送、喷射与凝固。混合和泵送过程与普通浇注料和泵送料没有很大的区别,要求混合均匀并具有很好的泵送性能。它的特点是制浆容易,喷涂时灰尘小,操作方便。但因含水量多,易流淌,喷涂层孔隙较多。为此,可采用薄喷、勤喷的办法补炉,也能收到良好的效果。湿法喷涂可直接用于造衬。

图三:湿法喷涂的设备结构示意图

  湿法喷涂注意事项:

  (1)喷射料的组成。首先它应该有合理的粒度组成、骨料和基质的比例以及水分的含量等。配合适当使基质部分较好地粘附在颗粒的表面,黏附层不能太厚与太薄以保证在颗粒喷射到料层上时,能有较好的塑性并黏附于料层上。其次,应该选择好添加剂,特别是絮凝剂的种类和加入量以控制好凝结时间。常用的絮凝剂有铝酸钠、硅酸钠、聚合氯化铝、氯化钙、硫酸铝、硫酸铝钾等。

  (2)喷射压力与喷射气流的速度。它们过小则颗粒不能很好黏附于料上,过大则容易产生反弹。

  (3)喷枪与被喷射体的距离和角度。它们对料层的附着率有一定影响。

  3.3半干法喷涂

  半干法是运送含部分水分的粉体,在喷嘴部分添加剩余水分的方法。半干法结合了干法和湿法的优点,弱化了两者的缺点。尽管如此,半干法对于喷涂料的要求以及施工时注意事项基本与干法一致。

  3.4火焰喷涂

  火焰喷补不添加水分,而是配入可燃性物料,可燃性气体和氧气,喷补料在喷射过程中燃烧发热,一部分物料成熔融态,接触到有相当高温度的工作面时,会马上熔融烧结成一个整体。

  火焰喷涂技术具有以下的特性。

  (1) 熔化粉末对砖表面粘结力强;

  (2) 喷补体致密,而且强度高,具有很好的耐蚀性;

  (3) 由于喷补墙冷却不发生明显温度降低,所以对砖无损坏作用。

  火焰喷补技术的特点是火焰喷补层能与修补部位衬砖牢固结合,物理性能好,至少不低于耐火砖;能够在短时间内,在高温状态下施工。火焰喷补的热源可以采用气体、液体和固体3种燃料,其中气体燃料最容易控制,并能得到高温火焰。

  火焰喷补料应该具备的条件。

  (1)具有良好的输送性能。为了能够平稳地进行喷补操作,耐火粉末粒度大小应该能赋予火焰喷补料良好的流动性,因而其凝聚力不能太大。

  (2)具有较理想的熔融性能。火焰喷补料在火焰中的滞留时间非常短,仅0.02~0.08s。要在如此之短的时间内使粉末混合料变成正常的熔融状态,就对材料的粒度大小有一定的要求。

  (3)应该具有优良的施工性能。附着率高的材料,其损失少。

  4 总结

  不定型耐火材料的使用量越来越大,使用范围越来越广,喷涂料作为不定型耐火材料的一种必将得到很好的发展。深入了解铝矾土喷涂料的各种原料、结合剂以及添加剂的影响才能根据资源以及具体的使用情况来确定经济合理的配料方法。采用合适的施工手段,注意其施工的细节也会提高喷涂料的使用寿命,降低耐火材料的用量。

  参考文献:

  [1] 韩行禄.不定型耐火材料(第2版)[M].北京:冶金工业出版社.2005:414~415

  [2] 张巍,戴文勇,李亮.硅微粉及热处理温度对铝矾土基喷涂料性能影响[J].中国粉体技术,2010,16(3)

  [3] 张巍,戴文勇.铝酸钠对铝矾土—棕刚玉喷涂料性能的影响[J].宁夏工程技术,2010,9(1)

  [4] 李楠,顾华志,赵惠忠.耐火材料学[M].北京:冶金工业出版社.2010:340~342

  [5] 王诚训,张义先.碱性不定型耐火材料[M].北京:冶金工业出版社.2002:30~36

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