مبادئ تحضير المصبوبات المقاومة للحرارة منخفضة الأسمنت وتحليل خصائص المواد الخام الأساسية

I. مبادئ تحضير المسبوكات منخفضة الأسمنت

إعدادقوالب صب الأسمنت منخفضة المقاومة للحرارةيجب أن يأخذ "تقليل محتوى الأسمنت، وتحسين البنية الدقيقة، وتحسين-الأداء في درجات الحرارة العالية" كأهداف أساسية، وأن يتبع بدقة المبادئ الأربعة التالية لضمان تمتعه بقابلية التشغيل واستقرار الخدمة:

1. مبدأ تحسين تصنيف الجسيمات

تصنيف الجسيمات هو الأساس لتحديد الكثافة الظاهرية والمسامية وقوة المسبوكات. ويجب أن تتبع "نظرية التعبئة الأقرب" وعادةً ما تتبنى تصميم تصنيف من ثلاثة-مستويات أو أربعة-مستويات:

1) الركام الخشن (5-15mm): يمثل 30%-45%، ويلعب بشكل رئيسي دور دعم الهيكل، ويجب اختيار المواد الخام ذات الاستقرار الكيميائي الجيد ومعامل التمدد الحراري المنخفض (مثل البوكسيت عالي الألومينا والكوراندوم) لتجنب التشقق الهيكلي بسبب تغيرات الحجم في درجات الحرارة العالية؛

2) الركام المتوسط ​​(1-5mm): يمثل 20%-30%، ويملأ الفجوات بين الركام الخشن، ويحسن سيولة المواد، ويجب أن يتطابق مع تكوين الركام الخشن لتقليل تفاعلات الواجهة؛

3) المسحوق الناعم (0.074-1mm): يمثل 15%-25%، مما يزيد من ملء الفجوات بين الركام وتحسين الكثافة. يجب التحكم في حجم جسيمات المسحوق الناعم ضمن نطاق معقول. سيؤدي المسحوق الخشن جدًا إلى تكديس فضفاض، في حين أن المسحوق الناعم جدًا سيزيد الطلب على المياه؛

4) مسحوق صغير (<0.074mm): accounts for 5%-15%, including mineral micro powder (such as silica fume, alumina micro powder) and cement clinker micro powder. It is the key to achieving "low cement". Through the ball effect of micro powder and the reaction with volcanic ash, the cement dosage is reduced and the strength is improved.

2. مبدأ التحكم الدقيق في جرعة الأسمنت

عادة ما تكون جرعة الأسمنت (أسمنت الألومينات بشكل أساسي) من الأسمنت المنخفض المقاومة للحرارة أقل من أو تساوي 8٪ (جزء الكتلة). يجب تحقيق التوازن بين "تقليل الجرعة" و"ضمان البناء والقوة المبكرة":

(1) الحد الأدنى للجرعة الفعالة: تحديد جرعة الأسمنت وفقًا لغرض الصب (على سبيل المثال . 5%-7% لبطانات الفرن ذات درجة الحرارة العالية-، و7%-8% لخطوط الأنابيب ذات درجة الحرارة المنخفضة-)، وتجنب الجرعة المفرطة التي ستؤدي إلى تكوين ألومينات الكالسيوم عند نقطة انصهار منخفضة (على سبيل المثال CA6، C12A7) عند درجات حرارة عالية، مما يقلل من الانكسار؛

(2) التآزر مع المسحوق الدقيق: من خلال التفاعل البوزولاني لأبخرة السيليكا ومسحوق الألومينا الدقيق، يتم دمجهما مع منتجات ترطيب الأسمنت (على سبيل المثال CAH10، C2AH8) لتكوين هلام C-A-S-H ثابت أو بلورات عمودية CA6، للتعويض عن فقدان القوة الناتج عن تقليل جرعة الأسمنت.

3. مبدأ التوازن بين الطلب على المياه والسيولة

يؤثر الطلب على المياه بشكل مباشر على كثافة المواد المصبوبة ومساميتها وقابلية تشغيلها ويجب التحكم فيه ضمن أقل نطاق معقول (عادةً 5%-8%):

(1) تقليل الطلب على المياه: من خلال إضافة مخفضات مياه ذات كفاءة عالية- (مثل الأحماض المتعددة الكربوكسيل وسلسلة النفثالين)، يتم تقليل التجاذب بين الجزيئات، ويتم تحقيق سيولة عالية عند محتوى منخفض من الماء، ويتم تجنب تكوين المسام بعد التبخر المفرط للمياه؛

(2) التكيف مع السيولة: ضبط السيولة وفقا لطريقة البناء (مثل الضخ والاهتزاز). يجب أن يكون تمدد المواد التي يتم ضخها أكبر من أو يساوي 250 مم، ويجب أن يكون تمدد المواد الاهتزازية أكبر من أو يساوي 200 مم. وفي الوقت نفسه، تجنب التدفق المفرط الذي يسبب التقسيم الطبقي الكلي.

4. مبادئ التحكم في استقرار الحجم

تكون القوالب المقاومة للحرارة المنخفضة للأسمنت عرضة لتغيرات الحجم أثناء التسخين بسبب تغير الطور وتحلل منتجات الماء. وهذا يتطلب اختيار المواد الخام والتحكم الإضافي:

(1) تعويض تمدد المواد الخام: أضف كمية مناسبة من عوامل التمدد (مثل الكيانيت والسيليمانيت، والتي تتحول إلى موليت عند درجة حرارة عالية وتتوسع بنسبة 10%-15%) لتعويض الانكماش الناتج عن تحلل منتجات ترطيب الأسمنت (مثل CAH10 المتحلل إلى C2AH8 عند 100-200 درجة، مع انكماش حجم يبلغ حوالي 10%))؛

(2) تحسين البنية المجهرية: من خلال ملء المسحوق الدقيق والنمو الاتجاهي البلوري (مثل التشابك البلوري العمودي CA6)، يتم تقليل البنية السائبة أثناء التسخين وتحسين استقرار الحجم. عادةً ما يكون مطلوبًا أن يتم التحكم في معدل التغيير الخطي بعد إطلاق النار عند 1100 درجة ضمن ±0.5%.

2. المواد الخام الرئيسية التي تؤثر على أداء المصبوبات الأسمنتية المنخفضة

يتم تحديد أداء المواد المصبوبة ذات الأسمنت المنخفض (المقاومة للحرارة، والقوة، واستقرار الصدمات الحرارية، ومقاومة التآكل) من خلال التركيب الكيميائي، والبنية المعدنية، وتوزيع حجم الجسيمات للمواد الخام. يمكن تقسيم المواد الخام الأساسية إلى خمس فئات:

1. الركام الحراري: يحدد الأساس الحراري وقوة الهيكل العظمي للصب.

تبلغ نسبة المواد المقاومة للحرارة 60%-75% وهي "الهيكل العظمي" للمادة القابلة للصب. يحدد أدائها بشكل مباشر المقاومة للحرارة وقدرة تحمل درجات الحرارة العالية للصب:

(1) مجموع الألومينا العالي - (Al₂O₃ أكبر من أو يساوي 70%) التركيب والأداء: المكونات الرئيسية هي اكسيد الالمونيوم والموليت، مقاومة الانكسار أكبر من أو تساوي 1770 درجة، قوة الضغط في درجة حرارة الغرفة أكبر من أو تساوي 100 ميجا باسكال، قوة الضغط عند درجة حرارة عالية (1400 درجة) أكبر من أو تساوي 50 ميجا باسكال؛ السيناريوهات القابلة للتطبيق: بطانات الأفران ذات درجة الحرارة المتوسطة والعالية (مثل منطقة حرق الفرن الدوار للأسمنت، وفرن التسخين المعدني)، من الضروري تجنب الشوائب المفرطة (مثل Fe₂O₃، TiO₂) لمنع تكوين مراحل نقطة انصهار منخفضة (مثل FeO·Al₂O₃، نقطة انصهار 1250 درجة)؛

(2) ركام اكسيد الالمونيوم (Al₂O₃ أكبر من أو يساوي 90%): التركيب والأداء: بشكل رئيسي - اكسيد الالمونيوم، بنية كثيفة، مقاومة للحرارة أكبر من أو تساوي 1850 درجة، مقاومة التآكل (مثل مقاومة الفولاذ المنصهر وتآكل الخبث) أفضل من ركام الألومينا العالي -؛ السيناريوهات القابلة للتطبيق: بيئة درجة الحرارة العالية جدًا- (مثل حوض الحديد في فرن الصهر الفولاذي و-فرن صهر المعادن غير الحديدية)، فمن الضروري التحكم في توزيع حجم الجسيمات الكلي لتجنب الركام الخشن المفرط الذي يتسبب في انخفاض استقرار الصدمة الحرارية.

2. المسحوق الدقيق المقاوم للحرارة: المسحوق الدقيق الأساسي لتحقيق "أسمنت منخفض" وأداء

يمثل التحسين ما بين 5% إلى 15%، وهو المفتاح للتمييز بين المسبوكات منخفضة المقاومة للحرارة من الأسمنت عن المسبوكات العادية. ويشمل بشكل رئيسي:

(1) Alumina micropowder (Al₂O₃≥99%, D50=1-5μm): Mechanism of action: reacts with cement hydration products to form CA6 crystals, improving high-temperature strength; fills the gaps between aggregates and reduces porosity (can reduce apparent porosity from 18% to below 12%); Performance impact: Increasing the amount of micropowder can improve refractoriness, but excessive amount (>15%) سيزيد الطلب على المياه ويجب استخدامه مع مخفض المياه؛

(2) دخان السيليكا (SiO₂ أكبر من أو يساوي 90%، D50=0.1-0.5μm): آلية العمل: له نشاط بوزولاني عالي ويتفاعل مع Ca(OH)₂ الناتج عن ترطيب الأسمنت لتكوين هلام C-S-H، مما يحسن القوة المبكرة. يمكن لجزيئاتها الكروية أن تقلل الاحتكاك الداخلي في المادة وتحسن السيولة. الاحتياطات: يجب التحكم في كمية أبخرة السيليكا المستخدمة (عادة 3%-8%). سيؤدي الاستخدام المفرط إلى تكوين كمية كبيرة من الزجاج ذو-نقطة انصهار-منخفضة (مثل زجاج CaO-SiO₂-Al₂O₃، ونقطة الانصهار<1400°C) at high temperatures, reducing corrosion resistance.

3. الموثق: المفتاح لضمان قابلية التشغيل وتنمية القوة.

إن المادة الرابطة للمصبوبات منخفضة الأسمنت هي في الأساس عبارة عن أسمنت ألومينات، مكمل بالروابط الكيميائية للمسحوق الناعم. يؤثر أدائه على وقت الإعداد وقوة المسبوكات:
(1) أسمنت الألومينات (CA-50، CA-70): التركيب والخصائص: يحتوي CA-50 على 50%-60% CA (ألومينات أحادية الكالسيوم)، وله وقت إعداد معتدل (الإعداد الأولي أكبر من أو يساوي 45 دقيقة، الإعداد النهائي أقل من أو يساوي 10h)، وقوة مبكرة عالية (قوة ضغط 1d أكبر من أو تساوي 20MPa)؛ يحتوي CA-70 على نسبة CA أكبر من أو تساوي 70% CA، وله قوة مبكرة أعلى، ولكنه يتم ضبطه بشكل أسرع ويجب استخدامه مع المثبط؛ تأثير الأداء: يؤثر محتوى CaO في الأسمنت بشكل مباشر على الحراريات. لكل زيادة بنسبة 1% في CaO، تنخفض المقاومة بحوالي 15-20 درجة. لذلك، يجب اختيار الأسمنت الذي يحتوي على نسبة منخفضة من CaO (CA-70 CaO أقل من أو يساوي 22%)؛
(2) ضبط المثبطات/المسرعات: ضبط المثبطات (مثل حمض الستريك وحمض الطرطريك، المضاف بنسبة 0.05%-0.2%) يطيل وقت الإعداد ويكون مناسبًا للنقل لمسافات طويلة- أو الصب بكميات كبيرة-. تعمل مسرعات الضبط (مثل Li₂CO₃ وCaCl₂، المضافة بنسبة 0.01%-0.05%) على تقليل وقت الإعداد وتكون مناسبة لبيئات البناء ذات درجة الحرارة المنخفضة (مثل البناء في فصل الشتاء). ومع ذلك، ينبغي تجنب الاستخدام المفرط، لأنه قد يقلل من القوة.

4. مخفض المياه: المادة المضافة الأساسية لتحقيق التوازن بين الطلب على المياه والسيولة

يعتبر مخفض الماء هو المفتاح لتحقيق "انخفاض المياه والتدفق العالي" في القوالب المقاومة للحرارة المنخفضة للأسمنت. مبلغ الإضافة عادة ما يكون 0.1%-0.5%:
(1) مخفض الماء بحمض البولي كربوكسيلي: المزايا: معدل تخفيض الماء العالي (يصل إلى 30%-40%)، الاحتفاظ الجيد بالركود (فقد التمدد خلال ساعة واحدة أقل من أو يساوي 20 مم)، التوافق الجيد مع أسمنت الألومينات، ولن يسبب إعاقة مفرطة؛ تأثير الأداء: يمكنه تقليل الطلب على المياه بنسبة 2-3 نقاط مئوية، وزيادة قوة الضغط للصب بعد الحرق عند 1100 درجة بنسبة 15%-20%، وتقليل المسامية الظاهرة بنسبة 3-5 نقاط مئوية؛
(2) Naphthalene water reducer: Features: Medium water reduction rate (20%-25%), low price, suitable for scenes with low fluidity requirements; Note: The dosage needs to be controlled. Excessive dosage (>0.5٪ سوف يتسبب في انفصال الطبقة القابلة للصب أو فقدان قوتها.

5. المضافات الوظيفية: تنظيم ثبات الحجم وخصائص خاصة

(1) عامل التمدد (الكيانيت، السيليمانيت): الوظيفة: عند درجة حرارة عالية (1100-1400 درجة)، يتحول إلى موليت، يتمدد بنسبة 10%-15%، يعوض انكماش الصب ويتجنب التشقق؛ الجرعة: عادة 3%-5%، الجرعة المفرطة سوف تؤدي إلى التوسع المفرط في الحجم وتوليد الإجهاد الداخلي؛

(2) عامل مضاد للانفجار (مسحوق ألومنيوم معدني، كمية الإضافة 0.1%-0.3%): - الوظيفة: أثناء عملية التسخين (200-600 درجة)، يتأكسد ببطء لتوليد Al₂O₃، ويطلق كمية صغيرة من الغاز، ويصرف الماء الحر داخل قوالب صب الأسمنت منخفضة المقاومة للحرارة، ويتجنب الهيكل من الانفجار بسبب التبخر السريع للمياه عند الارتفاع درجة الحرارة؛

(3) مثبت الصدمات الحرارية (كربيد السيليكون، نيتريد السيليكون، الكمية المضافة 5%-10%): الوظيفة: الاستفادة من خصائص التمدد المنخفض لكربيد السيليكون (معامل التمدد الحراري 4.5×10⁻⁶/ درجة) ونيتريد السيليكون (معامل التمدد الحراري 3.2×10⁻⁶/ درجة) لتقليل الضغط الحراري للمصبوب وتحسينه ثبات الصدمة الحرارية (عادة يمكن زيادة عدد الصدمات الحرارية المبردة بالماء من 10 مرات إلى أكثر من 20 مرة).