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氧化鎂-尖晶石耐火材料具有熱導(dǎo)率和熱膨脹率低，抗鋼渣、堿鹽和水泥熟料液相侵蝕能力強(qiáng)，抗熱震性能優(yōu)良等特性，是一種性能優(yōu)良的環(huán)境友好型耐火材料，有望作為含鉻耐火材料的替代材料而被廣泛應(yīng)用。不定形耐火材料無需預(yù)成型和煅燒即可使用，具有高效和節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)采用不定形材料整體制作大型預(yù)制件可從結(jié)構(gòu)上消除砌筑磚縫。因此,氧化鎂-尖晶石澆注料的研發(fā)具有重要的意義。

不定形耐火材料的流變行為對(duì)其施工性能具有重要的指導(dǎo)作用，因此不定形耐火材料特別是澆注料的流變性能一直是研究的熱點(diǎn)。在本研究中，采用ρ-Al?0?作為結(jié)合劑，以電熔氧化鎂細(xì)粉、氧化鋁微粉和鎂鋁尖晶石微粉為主要基質(zhì)組成，研究了鎂鋁尖晶石微粉對(duì)氧化鎂-尖晶石澆注料基質(zhì)流變性能的影響。

試驗(yàn)

采用的原料主要有:電熔鎂砂細(xì)粉(≤0.088mm)、ρ-Al?0?、α-Al?0?微粉(d50=3.2μm)、鎂鋁尖晶石微粉(d50=2μm)。原料的化學(xué)成分如表1所示。

表1基質(zhì)原料的化學(xué)組成

將氧化鎂-尖晶石澆注料中骨料與基質(zhì)的質(zhì)量比固定為73:27,對(duì)基質(zhì)進(jìn)行流變學(xué)研究。基質(zhì)的配比如表2所示。精確配料后混合均勻，然后加入14%(w)的去離子水?dāng)嚢杈鶆?，制成漿體。用流變儀測定漿體的流變性。

表2 氧化鎂-尖晶石澆注料中基質(zhì)原料的配比

結(jié)果與討論

2.1鎂鋁尖晶石微粉含量對(duì)氧化鎂-尖晶石澆注料基質(zhì)流變性的影響

常用的流變模型有：Bingham模型、Ostwald模型、Herschel-Bulkley模型。符合Bingham模型的流體稱為塑性流體或Bingham流體，其受到大于屈服值的剪切力時(shí)出現(xiàn)流動(dòng)形變，未出現(xiàn)流動(dòng)前只發(fā)生彈性形變，一旦發(fā)生流動(dòng)，黏度不再發(fā)生變化，則為牛頓流體行為。

圖1為加入不同量的鎂鋁尖晶石微粉的氧化鎂-尖晶石澆注料基質(zhì)的剪切速率和切應(yīng)力之間的關(guān)系圖。從中可知，所有試樣均具有一定的屈服值，其切應(yīng)力隨剪切速率的升高而增大,而且二者之間接近直線關(guān)系,表明其流變行為符合Bingham模型。

圖1 不同試樣的剪切速率-切應(yīng)力曲線

采用Bingham模型對(duì)加入不同量鎂鋁尖晶石微粉的澆注料基質(zhì)的剪切速率和切應(yīng)力曲線的進(jìn)行擬合，模擬方程的截距為屈服應(yīng)力，斜率為(相對(duì))塑性黏度,所得不同試樣的的屈服應(yīng)力和塑性黏度如表3所示。由表3可知，隨著鎂鋁尖晶石微粉加入量的增多,α-Al?0?微粉加入量的減少，澆注料基質(zhì)的屈服應(yīng)力不斷升高。克服屈服應(yīng)力后，基質(zhì)開始流動(dòng)的塑性粘后度差異較小。

表3 不同試樣的屈服應(yīng)力值和塑性粘度值

圖2為加入不同量的鎂鋁尖晶石微粉的氧化鎂尖晶石澆注料基質(zhì)的剪切速率和黏度之間的關(guān)系圖。由圖可知,低剪切速率下試樣黏度均隨剪切速率的增加而降低,0~20S?1剪切速率之間為試樣黏度下降最快的區(qū)間，高于40S?1剪切速率后試樣黏度接近恒定值。因此,試樣均具有流動(dòng)開始后黏度變化不明顯的特征。這與Bingham模型的剪切速率和黏度的特征相符,進(jìn)一步證實(shí)了試樣為Bingham型流體。

圖2 不同試樣的剪切速率-黏度曲線

理想的Bingham流體應(yīng)該具有高的固相含量且內(nèi)部顆粒大小均勻，本實(shí)驗(yàn)中氧化鎂-尖晶石澆注料基質(zhì)由于顆粒大小不均勻，顆粒表面結(jié)構(gòu)的作用使流變曲線偏離直線，呈近線性的關(guān)系。其流變特征為:在外力不超過屈服應(yīng)力時(shí)不流動(dòng);當(dāng)超過屈服應(yīng)力后，漿體與壁面接觸處的結(jié)構(gòu)先遭到到破壞;隨著剪切速率的逐步升高，漿體結(jié)構(gòu)逐步破壞，其黏度也逐漸變小，此時(shí)剪切速率和黏度曲線呈現(xiàn)曲線變化趨勢(shì);剪切速率進(jìn)一步增大時(shí),漿體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)破壞，形成較穩(wěn)定的層流，剪切速率和黏度曲線接近直線，有較為穩(wěn)定的塑性黏度值。活性鎂鋁尖晶石微粉加入量越大，對(duì)澆注料基質(zhì)部分的填充作用越好，其結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，破換結(jié)構(gòu)需要的屈服應(yīng)力越大。

2.2 時(shí)間對(duì)氧化鎂-尖晶石澆注料基質(zhì)流變特性的影響

在恒定剪切速率的條件下,研究了時(shí)間對(duì)氧化鎂-尖晶石澆注料基質(zhì)流變特性的影響。圖3為400S?1的剪切速率下，加入不同氧化鎂尖晶石微粉的澆注料基質(zhì)黏度隨時(shí)間的變化關(guān)系圖。由圖可知，鎂鋁尖晶石微粉加入2%(w)時(shí)，試樣先剪切變稀后黏度保持不變;其加入4%(w)時(shí)，隨著時(shí)間增加試樣黏度逐漸增大，100s后試樣黏度出現(xiàn)上下波動(dòng)的現(xiàn)象;其加入6%(w)時(shí)，試樣黏度呈上下波動(dòng)狀態(tài)。這表明:氧化鎂-尖晶石澆注料基質(zhì)中鎂鋁尖晶石微粉加入量越多，其黏度隨時(shí)間的變化曲線越容易波動(dòng)。

圖3 不同試樣的黏度-時(shí)間曲線

對(duì)于鎂鋁尖晶石微粉含量為6%(w)的試樣而言，其黏度-時(shí)間曲線出現(xiàn)波動(dòng)的原因是由于實(shí)驗(yàn)所用的鎂鋁尖晶石微粉是一種由燒結(jié)法合成的活性鎂鋁尖晶石微粉,其中含有少量游離的Al?0?和MgO,當(dāng)鎂鋁尖晶石微粉含量增加時(shí)，游離MgO的量也隨之增多，從而促進(jìn)了澆注料結(jié)合劑ρ-Al?0?的固化。試樣固化程度越高，澆注料基質(zhì)內(nèi)部中越容易形成空隙，使得其運(yùn)動(dòng)特征出現(xiàn)不連續(xù)性，即為上下波動(dòng)狀況。因此,澆注料中鎂鋁尖晶石微粉的加入量不宜超過6%(w)。

結(jié) 論

氧化鎂-尖晶石澆注料的基質(zhì)具有近Bingham流體的特征，隨著鎂鋁尖晶石微粉加入量的增多，其屈服應(yīng)力不斷升高，其黏度隨時(shí)間的變化曲線越容易波動(dòng),澆注料中鎂鋁尖晶石微粉的加入量不宜超過6%(w)。