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氧化鎂-尖晶石耐火材料具有熱導率和熱膨脹率低，抗鋼渣、堿鹽和水泥熟料液相侵蝕能力強，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用。不定形耐火材料無需預成型和煅燒即可使用，具有高效和節(jié)能的優(yōu)點，同時采用不定形材料整體制作大型預制件可從結構上消除砌筑磚縫。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其施工性能具有重要的指導作用，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。在本研究中，采用ρ-Al?0?作為結合劑，以電熔氧化鎂細粉、氧化鋁微粉和鎂鋁尖晶石微粉為主要基質組成，研究了鎂鋁尖晶石微粉對氧化鎂-尖晶石澆注料基質流變性能的影響。

試驗

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

表1基質原料的化學組成

將氧化鎂-尖晶石澆注料中骨料與基質的質量比固定為73:27,對基質進行流變學研究。基質的配比如表2所示。精確配料后混合均勻，然后加入14%(w)的去離子水攪拌均勻，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原料的配比

結果與討論

2.1鎂鋁尖晶石微粉含量對氧化鎂-尖晶石澆注料基質流變性的影響

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出現(xiàn)流動形變，未出現(xiàn)流動前只發(fā)生彈性形變，一旦發(fā)生流動，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-尖晶石澆注料基質的剪切速率和切應力之間的關系圖。從中可知，所有試樣均具有一定的屈服值，其切應力隨剪切速率的升高而增大,而且二者之間接近直線關系,表明其流變行為符合Bingham模型。

圖1 不同試樣的剪切速率-切應力曲線

采用Bingham模型對加入不同量鎂鋁尖晶石微粉的澆注料基質的剪切速率和切應力曲線的進行擬合，模擬方程的截距為屈服應力，斜率為(相對)塑性黏度,所得不同試樣的的屈服應力和塑性黏度如表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，澆注料基質的屈服應力不斷升高。克服屈服應力后，基質開始流動的塑性粘后度差異較小。

表3 不同試樣的屈服應力值和塑性粘度值

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的剪切速率和黏度之間的關系圖。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,進一步證實了試樣為Bingham型流體。

圖2 不同試樣的剪切速率-黏度曲線

理想的Bingham流體應該具有高的固相含量且內(nèi)部顆粒大小均勻，本實驗中氧化鎂-尖晶石澆注料基質由于顆粒大小不均勻，顆粒表面結構的作用使流變曲線偏離直線，呈近線性的關系。其流變特征為:在外力不超過屈服應力時不流動;當超過屈服應力后，漿體與壁面接觸處的結構先遭到到破壞;隨著剪切速率的逐步升高，漿體結構逐步破壞，其黏度也逐漸變小，此時剪切速率和黏度曲線呈現(xiàn)曲線變化趨勢;剪切速率進一步增大時,漿體內(nèi)部的結構破壞，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?；钚枣V鋁尖晶石微粉加入量越大，對澆注料基質部分的填充作用越好，其結構越穩(wěn)定，破換結構需要的屈服應力越大。

2.2 時間對氧化鎂-尖晶石澆注料基質流變特性的影響

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

圖3 不同試樣的黏度-時間曲線

對于鎂鋁尖晶石微粉含量為6%(w)的試樣而言，其黏度-時間曲線出現(xiàn)波動的原因是由于實驗所用的鎂鋁尖晶石微粉是一種由燒結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,當鎂鋁尖晶石微粉含量增加時，游離MgO的量也隨之增多，從而促進了澆注料結合劑ρ-Al?0?的固化。試樣固化程度越高，澆注料基質內(nèi)部中越容易形成空隙，使得其運動特征出現(xiàn)不連續(xù)性，即為上下波動狀況。因此,澆注料中鎂鋁尖晶石微粉的加入量不宜超過6%(w)。

結論

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