Introductie van een vuurvast gietbaar product met een laag cementgehalte

Vuurvaste gietmaterialen met een laag cementgehalte worden vergeleken met traditionele vuurvaste gietmaterialen op basis van aluminaatcement. Bij traditionele vuurvaste gietmaterialen op basis van aluminaatcement wordt doorgaans 12-20% cement toegevoegd en 9-13% water. Door de grote hoeveelheid toegevoegd water vertoont het gietmateriaal veel poriën, is het niet dicht en heeft het een lage sterkte. Hoewel bij de grote hoeveelheid toegevoegd cement een hogere sterkte bij normale en lage temperaturen kan worden bereikt, neemt de sterkte af door de kristallijne transformatie van calciumaluminaat bij middelhoge temperaturen. Het toegevoegde CaO reageert met SiO2 en Al2O3 in het gietmateriaal, waardoor stoffen met een laag smeltpunt ontstaan ​​en de eigenschappen van het materiaal bij hoge temperaturen verslechteren.

Door gebruik te maken van ultrafijne poedertechnologie, hoogefficiënte hulpstoffen en een wetenschappelijke korrelverdeling, kan het cementgehalte van het gietbare materiaal worden verlaagd tot minder dan 8% en het watergehalte tot ≤7%. Hierdoor kan een vuurvast gietbaar materiaal met een laag cementgehalte worden geproduceerd met een CaO-gehalte van ≤2,5%. De prestatie-indicatoren hiervan overtreffen over het algemeen die van vuurvaste gietbare materialen op basis van aluminaatcement. Dit type vuurvast gietbaar materiaal heeft een goede thixotropie, wat betekent dat het gemengde materiaal een bepaalde vorm aanneemt en begint te vloeien bij een geringe externe kracht. Wanneer de externe kracht wordt weggenomen, behoudt het de verkregen vorm. Daarom wordt het ook wel thixotroop vuurvast gietbaar materiaal genoemd. Zelfvloeiend vuurvast gietbaar materiaal wordt ook wel thixotroop vuurvast gietbaar materiaal genoemd en valt onder deze categorie. De precieze betekenis van vuurvast gietbaar materiaal met een laag cementgehalte is tot nu toe nog niet gedefinieerd. De American Society for Testing and Materials (ASTM) definieert en classificeert vuurvaste gietmaterialen op basis van hun CaO-gehalte.

Dichtheid en hoge sterkte zijn de belangrijkste kenmerken van vuurvaste gietmaterialen met een laag cementgehalte. Dit is gunstig voor de levensduur en prestaties van het product, maar brengt ook problemen met zich mee tijdens het bakken. Het gieten kan namelijk gemakkelijk mislukken als er niet zorgvuldig mee wordt omgegaan. Het verschijnsel van scheuren in het materiaal kan in ieder geval hergieten noodzakelijk maken, of in ernstige gevallen de veiligheid van omstanders in gevaar brengen. Daarom hebben diverse landen onderzoek gedaan naar het bakken van vuurvaste gietmaterialen met een laag cementgehalte. De belangrijkste technische maatregelen zijn: het formuleren van redelijke ovencurves en het toevoegen van uitstekende explosievertragers, enz., waardoor het water in de vuurvaste gietmaterialen soepel kan worden afgevoerd zonder andere bijwerkingen te veroorzaken.

Ultrafijne poedertechnologie is de sleuteltechnologie voor vuurvaste gietmaterialen met een laag cementgehalte (de meeste ultrafijne poeders die momenteel in keramiek en vuurvaste materialen worden gebruikt, hebben een deeltjesgrootte tussen 0,1 en 10 µm en fungeren voornamelijk als dispersieversnellers en structuurverdichters. De eerste zorgt ervoor dat de cementdeeltjes goed verspreid zijn zonder flocculatie, terwijl de laatste de microporiën in het gietmateriaal volledig vult en de sterkte verbetert).

Momenteel veelgebruikte soorten ultrafijne poeders zijn onder andere SiO2, α-Al2O3 en Cr2O3. Het specifieke oppervlak van SiO2-micropoeder is ongeveer 20 m²/g en de deeltjesgrootte is ongeveer 1/100 van de cementdeeltjesgrootte, waardoor het goede vuleigenschappen heeft. Bovendien kunnen SiO2-, Al2O3- en Cr2O3-micropoeder in water colloïdale deeltjes vormen. Wanneer een dispergeermiddel aanwezig is, wordt een overlappende elektrische dubbellaag gevormd op het oppervlak van de deeltjes, wat elektrostatische afstoting genereert. Deze afstoting overwint de van der Waals-kracht tussen de deeltjes en verlaagt de grensvlakenergie. Dit voorkomt adsorptie en flocculatie tussen de deeltjes. Tegelijkertijd wordt het dispergeermiddel rond de deeltjes geadsorbeerd en vormt een oplosmiddellaag, wat ook de vloeibaarheid van het gietbare materiaal verhoogt. Dit is tevens een van de mechanismen van ultrafijn poeder: door toevoeging van ultrafijn poeder en geschikte dispergeermiddelen kan het waterverbruik van vuurvaste gietmaterialen worden verminderd en de vloeibaarheid worden verbeterd.

Het uitharden van vuurvaste gietmaterialen met een laag cementgehalte is het resultaat van de gecombineerde werking van hydratatiebinding en cohesiebinding. De hydratatie en uitharding van calciumaluminaatcement bestaan ​​voornamelijk uit de hydratatie van de hydraulische fasen CA en CA2 en het kristalgroeiproces van hun hydraten. Deze reageren met water en vormen hexagonale vlokken of naaldvormige CAH10- en C2AH8-kristallen. Hydratatieproducten zoals kubische C3AH6-kristallen en Al2O3aq-gels vormen vervolgens een onderling verbonden condensatie-kristallisatienetwerk tijdens het uithardings- en verwarmingsproces. De agglomeratie en binding worden veroorzaakt doordat het actieve ultrafijne SiO2-poeder colloïdale deeltjes vormt wanneer het in contact komt met water, en de ionen die langzaam vrijkomen uit het toegevoegde additief (d.w.z. de elektrolyt). Omdat de oppervlakteladingen van de twee tegengesteld zijn, dat wil zeggen dat het colloïdale oppervlak tegenionen heeft geadsorbeerd, waardoor de potentiaal afneemt en condensatie optreedt wanneer de adsorptie het "iso-elektrisch punt" bereikt. Met andere woorden, wanneer de elektrostatische afstoting op het oppervlak van de colloïdale deeltjes kleiner is dan de aantrekkingskracht, ontstaat cohesieve binding met behulp van van der Waalskrachten. Nadat het vuurvaste gietmateriaal, gemengd met silicapoeder, is gecondenseerd, drogen en dehydrateren de Si-OH-groepen die op het oppervlak van SiO2 zijn gevormd, waardoor een siloxaan (Si-O-Si) netwerkstructuur ontstaat en het materiaal uithardt. In de siloxaannetwerkstructuur nemen de bindingen tussen silicium en zuurstof niet af naarmate de temperatuur stijgt, waardoor de sterkte ook blijft toenemen. Tegelijkertijd reageert de SiO2-netwerkstructuur bij hoge temperaturen met het daarin ingekapselde Al2O3 tot mulliet, wat de sterkte bij middelhoge en hoge temperaturen kan verbeteren.