水冷梁包扎用防爆快干自流浇注料的研制

王锦涛，李宗宝，于蓓蓓，任建秀，孙学运

（山东耐材集团有限公司王铝分公司，山东 淄博 255311）

1 前言

目前，轧钢加热炉水冷管包扎用自流耐火浇注料取得了良好效果。采用自流耐火浇注料制作烧嘴砖和修补炉顶、炉墙损毁部位，也有很好的作用［1］。要研制出符合要求、性能良好的浇注料，需要进行多方面的研究［2］，浇注料必须有良好的自流性能和防爆性能，要有足够的强度和较低的烧后线变化。

近期山东耐材集团有限公司王铝分公司（简称山耐王铝）接到某轧钢厂加热炉水冷梁包扎维修的订单，根据轧钢厂方给出的指标（见表1），进行了水梁包扎用自流快干防爆浇注料的研发，着重进行基于基础配方的流动性、抗爆性、抗折耐压强度以及烧后线变化率的改进。

表1 防爆快干自流浇注料指标要求

2 试验分析

防爆快干自流浇注料指标要求如表1所示。

2.1 试验思路

（1）基础配方选用轧钢加热炉炉墙低水泥浇注料产品和水梁用低水泥自流浇注料产品配方。（2）进行多级料配，验证合理的级配是否改善浇注料的性能。（3）对比加入不同量不同种类的氧化铝微粉、高纯度的硅微粉和铝酸钙水泥的试样指标，找出改善浇注料性能的最佳配比和最佳种类搭配。

2.2 原料及试验方案

试验用的主要原料有高铝矾土熟料、氧化铝微粉、二氧化硅微粉和铝酸钙水泥。主要原料的化学组成见表2。

表2 主要原料的化学组成（质量分数） %

如表3 所示，按照骨料与基质65∶35 的质量比进行配料，加入不同品号的二氧化硅微粉和不同品号及加入量的铝酸钙水泥，用1～0 mm的蓝晶石替换部分高铝矾土，配方代码分别记为ZKF-1、ZKF-2、ZKF-3和ZKF-4。再对骨料粒度级配进行调整，按照骨料与基质64∶36的质量比进行配料，同时再引入新的活性氧化铝微粉、二氧化硅微粉、金属铝粉和铝酸钙水泥，研究对该浇注料的影响，配方编号分别记为ZKF-5、ZKF-6和ZKF-7。

表3 试样配比组成（质量分数） %

2.3 试验过程和性能检测

将按配方配料的各原料混匀、搅拌后，按照CB/T 5302.1 标准要求测定浇注料的流动值，加水量见表4。经振动浇注成型为40 mm×40 mm×160 mm的试样，并按照YB 2209 的有关标准进行养护，观察并记录凝固时间见表4。试样拆模后进行110 ℃干燥和1 350 ℃×3 h 热处理，按照GB/T 2997 标准要求检测试样烘干和热处理后的体积密度和线变化率，按照GB/T 3001 标准要求检测试样的冷态抗折、耐压强度；按照GB/T 3002标准要求检测试样的高温抗折强度，数据见表5。

表4 常温物理性能及凝固时间

表5 试验结果

抗爆试验：电炉预先加热到600 ℃，保温30 min。将脱模后的试样成型面朝上，迅速放入炉内，关闭炉门并开始计时，炉温恢复到600 ℃后，试样在此温度保温30 min。观察试样是否爆裂，发现试样ZKF-1、ZKF-2、ZKF-4、ZKF-5和ZKF-6无爆裂，试样ZKF-3有微裂纹，试样ZKF-7出现裂纹。

3 结果分析

3.1 加入不同粒度级配和微粉对常温物理性能的影响

由图1可知，ZKF-4和ZKF-5试样自流效果更好。一般情况下，加水量和流动性成正比关系，即相同配方在一定范围内，加水量越多，流动性越好。影响流动性的因素有很多，在骨料选择方面，在相同加水量的情况下，以球形等相对均匀的颗粒为骨料相比以长条、棱角形等颗粒为骨料制成的浇注料流动性能更好，这主要是由于球形、椭球形颗粒之间空隙更易被填充，可以减小颗粒之间的摩擦；合理的粒度级配对提高流动性能也很重要，级数多，粒度波动越小，流动性能越好；引入减水剂等添加剂对流动性能也会有所影响。

图1 不同粒度级配和微粉加入对常温物理性能的影响

3.2 加入不同粒度级配和微粉对体积密度的影响

加入不同粒度级配和微粉对体积密度的影响见图2。由图2 可以看出，ZKF-2、ZKF-4 和ZKF-6的体密更高，这表明二氧化硅微粉2和铝酸钙水泥1 对增加体密有更明显的作用。相对均匀、粗颗粒少的试样体密相对更高，这是因为颗粒与基质间的大量空隙易被填充，易形成紧密堆积，提高了体积密度。

图2 不同粒度级配和微粉加入对体积密度的影响

3.3 加入不同粒度级配和微粉对强度的影响

加入不同粒度级配和微粉对强度的影响分别见如图3、图4。从ZKF-7可以看出，水泥对浇注料强度有较大的影响，水泥作为结合剂，使浇注料基质的剪切应力增大，基质的黏度增加，提高浇注料的强度。同时加水量少的试块强度越高，这表明合理的粒度级配、优质微粉的适量引入及减水剂的使用对提升浇注料的强度也很重要。

图3 不同粒度级配和微粉对抗折强度的影响

图4 不同粒度级配和微粉对耐压强度的影响

3.4 加入不同粒度级配和微粉对烧后线变化的影响

由图5可以看出，ZKF-1、ZKF-2和ZKF-4的烧后线变化率较低。均匀合理的粒度级配和微粉的加入提高体积稳定，有效促进试样的烧结，使线变化率小。

图5 不同粒度级配和微粉对烧后线变化的影响

3.5 防爆性能

添加防爆纤维是浇注料最有效的防爆措施之一。浇注料受热后，防爆纤维迅速收缩、分解，同时在浇注料中形成气孔通道，从而让浇注料因受热而产生的水蒸气迅速扩散出去，提高该浇注料的防爆性能。

3.6 快干性能

根据凝固时间来看，在快干浇注料中加人活泼金属Al粉，与水混合后发生放热反应，使浇注料的温度高达70 ℃左右，同时产生的气体形成通道，把水蒸气引出，加速了浇注料的硬化。由于浇注料内部形成均匀气孔通道，有利于浇注料中的水分畅通排出，故能实现快速烘烤。其次Al 粉与水作用产生放热反应，促进超微粉、黏土凝聚发生反应，从而提高其强度。但从浇注料施工方面考虑，Al粉加入少会导致凝固过慢拖延工期，Al粉加入过多会导致气孔过多，强度下降且硬化过快影响施工。综合考虑，选择凝固时间为2.2 h为宜。

4 结语

（1）合理的粒度级配对提高流动性能很重要，级数多，粒度波动越小，流动性能越好；引入减水剂等添加剂对流动性能也会有所影响。

（2）不仅水泥、氧化铝微粉对试样的体积密度产生影响，相对均匀、粗颗粒少的粒度配比的配方体积密度相对更高。铝粉加入越多，反应放热越快，凝固时间越快，但加入量过多反而会起到降低强度、影响施工的负面作用。

（3）合理的粒度级配、优质微粉的适量引入及减水剂的使用对提升浇注料的强度很重要，可以提高体积稳定，有效促进试样的烧结，使线变化率小。

（4）根据试验结果和客户需求，山耐王铝从加水量、流动性、强度、防爆性能、凝固时间和烧后线变化等因素综合考量，优选出ZKF-6号浇注料配方。山耐王铝生产的轧钢加热炉水冷管用浇注料已在国内某大型钢厂投入使用，完全满足生产要求。