บทนำเกี่ยวกับผลิตภัณฑ์หล่อทนไฟซีเมนต์ต่ำ

วัสดุทนไฟแบบหล่อที่มีซีเมนต์ต่ำนั้นแตกต่างจากวัสดุทนไฟแบบหล่อซีเมนต์อะลูมิเนตแบบดั้งเดิม โดยทั่วไปแล้วปริมาณซีเมนต์ที่เติมในวัสดุทนไฟแบบหล่อซีเมนต์อะลูมิเนตแบบดั้งเดิมจะอยู่ที่ 12-20% และปริมาณน้ำที่เติมจะอยู่ที่ 9-13% เนื่องจากปริมาณน้ำที่เติมสูง ทำให้เนื้อวัสดุที่หล่อมีรูพรุนมาก ไม่มีความหนาแน่น และมีความแข็งแรงต่ำ ถึงแม้ว่าจะสามารถได้ความแข็งแรงที่อุณหภูมิปกติและต่ำสูงขึ้น แต่ความแข็งแรงจะลดลงเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างผลึกของแคลเซียมอะลูมิเนตที่อุณหภูมิปานกลาง เห็นได้ชัดว่า CaO ที่เติมเข้าไปจะทำปฏิกิริยากับ SiO2 และ Al2O3 ในวัสดุหล่อ ทำให้เกิดสารที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ ส่งผลให้คุณสมบัติของวัสดุที่อุณหภูมิสูงเสื่อมลง

เมื่อใช้เทคโนโลยีผงละเอียดพิเศษ สารเติมแต่งประสิทธิภาพสูง และการจัดเรียงขนาดอนุภาคอย่างเป็นวิทยาศาสตร์ ปริมาณซีเมนต์ในวัสดุหล่อจะลดลงเหลือต่ำกว่า 8% และปริมาณน้ำลดลงเหลือ ≤7% ทำให้สามารถเตรียมวัสดุหล่อทนไฟชนิดซีเมนต์ต่ำได้ โดยมีปริมาณ CaO ≤2.5% และโดยทั่วไปแล้วตัวชี้วัดประสิทธิภาพจะดีกว่าวัสดุหล่อทนไฟซีเมนต์อะลูมิเนต วัสดุหล่อทนไฟชนิดนี้มีคุณสมบัติการไหลแบบทิกโซโทรปีที่ดี กล่าวคือ วัสดุผสมจะมีรูปร่างที่แน่นอนและเริ่มไหลเมื่อมีแรงภายนอกเพียงเล็กน้อย เมื่อเอาแรงภายนอกออกไปแล้ว มันจะรักษารูปร่างที่ได้ไว้ ดังนั้นจึงเรียกว่าวัสดุหล่อทนไฟแบบทิกโซโทรปี วัสดุหล่อทนไฟที่ไหลได้เองยังเรียกว่าวัสดุหล่อทนไฟแบบทิกโซโทรปี จัดอยู่ในประเภทนี้ ความหมายที่แท้จริงของวัสดุหล่อทนไฟชนิดซีเมนต์ต่ำยังไม่ได้รับการกำหนดอย่างชัดเจนจนถึงปัจจุบัน สมาคมมาตรฐานการทดสอบวัสดุแห่งอเมริกา (ASTM) กำหนดและจำแนกประเภทวัสดุทนไฟแบบหล่อขึ้นรูปตามปริมาณแคลเซียมออกไซด์ (CaO)

คุณสมบัติเด่นของวัสดุทนไฟหล่อขึ้นรูปชนิดซีเมนต์ต่ำคือความหนาแน่นสูงและความแข็งแรงสูง ซึ่งเป็นสิ่งที่ดีสำหรับการยืดอายุการใช้งานและประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ แต่ก็ทำให้เกิดปัญหาในการอบก่อนใช้งาน กล่าวคือ การเทอาจเกิดการรั่วไหลได้ง่ายหากไม่ระมัดระวังในระหว่างการอบ ปรากฏการณ์การระเบิดของชิ้นงานอาจต้องทำการเทใหม่เป็นอย่างน้อย หรืออาจเป็นอันตรายต่อความปลอดภัยของคนงานโดยรอบในกรณีร้ายแรง ดังนั้นหลายประเทศจึงได้ทำการศึกษาเกี่ยวกับการอบวัสดุทนไฟหล่อขึ้นรูปชนิดซีเมนต์ต่ำในหลายด้าน มาตรการทางเทคนิคหลัก ได้แก่ การกำหนดเส้นโค้งการอบที่เหมาะสมและการใช้สารป้องกันการระเบิดที่ดีเยี่ยม เป็นต้น ซึ่งจะช่วยให้การระเหยของน้ำออกจากวัสดุทนไฟหล่อขึ้นรูปเป็นไปอย่างราบรื่นโดยไม่ก่อให้เกิดผลข้างเคียงอื่น ๆ

เทคโนโลยีผงละเอียดพิเศษเป็นเทคโนโลยีสำคัญสำหรับวัสดุหล่อทนไฟชนิดซีเมนต์ต่ำ (ปัจจุบันผงละเอียดพิเศษส่วนใหญ่ที่ใช้ในเซรามิกและวัสดุทนไฟมีขนาดอนุภาคอยู่ระหว่าง 0.1 ถึง 10 ไมโครเมตร และทำหน้าที่เป็นตัวเร่งการกระจายตัวและตัวเพิ่มความหนาแน่นของโครงสร้างเป็นหลัก โดยตัวเร่งการกระจายตัวจะช่วยให้อนุภาคซีเมนต์กระจายตัวได้ดีโดยไม่เกิดการจับตัวเป็นก้อน ในขณะที่ตัวเพิ่มความหนาแน่นจะช่วยเติมเต็มรูพรุนขนาดเล็กในเนื้อวัสดุที่หล่อขึ้น และช่วยเพิ่มความแข็งแรง)

ปัจจุบัน ผงละเอียดพิเศษที่นิยมใช้กันทั่วไป ได้แก่ SiO2, α-Al2O3, Cr2O3 เป็นต้น ผงละเอียด SiO2 มีพื้นที่ผิวจำเพาะประมาณ 20 ตารางเมตรต่อกรัม และขนาดอนุภาคประมาณ 1/100 ของขนาดอนุภาคซีเมนต์ จึงมีคุณสมบัติในการเติมเต็มที่ดี นอกจากนี้ ผงละเอียด SiO2, Al2O3, Cr2O3 ฯลฯ ยังสามารถก่อตัวเป็นอนุภาคคอลลอยด์ในน้ำได้ เมื่อมีสารช่วยกระจายตัวอยู่ จะเกิดชั้นไฟฟ้าคู่ซ้อนทับกันบนพื้นผิวของอนุภาค ทำให้เกิดแรงผลักทางไฟฟ้าสถิต ซึ่งเอาชนะแรงแวนเดอร์วาลส์ระหว่างอนุภาคและลดพลังงานที่ผิวสัมผัส ป้องกันการดูดซับและการจับตัวเป็นก้อนระหว่างอนุภาค ในขณะเดียวกัน สารช่วยกระจายตัวจะถูกดูดซับรอบๆ อนุภาคเพื่อสร้างชั้นตัวทำละลาย ซึ่งช่วยเพิ่มความลื่นไหลของวัสดุหล่อขึ้นรูปด้วย นี่เป็นอีกหนึ่งกลไกของผงละเอียดพิเศษ กล่าวคือ การเติมผงละเอียดพิเศษและสารช่วยกระจายตัวที่เหมาะสมสามารถลดปริมาณการใช้น้ำในการผลิตวัสดุทนไฟแบบหล่อ และช่วยเพิ่มความลื่นไหลได้

การแข็งตัวของวัสดุหล่อทนไฟที่มีซีเมนต์ต่ำเป็นผลมาจากการทำงานร่วมกันของพันธะไฮเดรชั่นและพันธะโคฮีชั่น ไฮเดรชั่นและการแข็งตัวของซีเมนต์แคลเซียมอะลูมิเนตส่วนใหญ่เกิดจากการไฮเดรชั่นของเฟสไฮดรอลิก CA และ CA2 และกระบวนการเจริญเติบโตของผลึกไฮเดรต กล่าวคือ พวกมันทำปฏิกิริยากับน้ำเพื่อสร้างผลึกรูปเกล็ดหกเหลี่ยมหรือรูปเข็ม CAH10, C2AH8 และผลิตภัณฑ์ไฮเดรชั่น เช่น ผลึกทรงลูกบาศก์ C3AH6 และเจล Al2O3аq จากนั้นจึงสร้างโครงสร้างเครือข่ายการควบแน่น-การตกผลึกที่เชื่อมต่อกันในระหว่างกระบวนการบ่มและการให้ความร้อน การรวมตัวและพันธะเกิดจากผงละเอียดพิเศษ SiO2 ที่ออกฤทธิ์สร้างอนุภาคคอลลอยด์เมื่อพบกับน้ำ และพบกับไอออนที่ค่อยๆ แตกตัวจากสารเติมแต่ง (เช่น สารอิเล็กโทรไลต์) เนื่องจากประจุบนพื้นผิวของทั้งสองมีทิศทางตรงข้ามกัน กล่าวคือ พื้นผิวของคอลลอยด์ได้ดูดซับไอออนประจุตรงข้าม ทำให้ศักย์ไฟฟ้าลดลงและเกิดการควบแน่นเมื่อการดูดซับถึง "จุดไอโซอิเล็กทริก" กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ เมื่อแรงผลักทางไฟฟ้าสถิตบนพื้นผิวของอนุภาคคอลลอยด์น้อยกว่าแรงดึงดูด การยึดเกาะแบบเหนียวแน่นจะเกิดขึ้นด้วยความช่วยเหลือของแรงแวนเดอร์วาลส์ หลังจากที่วัสดุทนไฟที่ผสมกับผงซิลิกาเกิดการควบแน่นแล้ว หมู่ Si-OH ที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของ SiO2 จะแห้งและขาดน้ำเพื่อเชื่อมต่อกัน ทำให้เกิดโครงสร้างเครือข่ายซิลิออกเซน (Si-O-Si) ซึ่งทำให้แข็งตัวขึ้น ในโครงสร้างเครือข่ายซิลิออกเซน พันธะระหว่างซิลิคอนและออกซิเจนจะไม่ลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ดังนั้นความแข็งแรงจึงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ในขณะเดียวกัน ที่อุณหภูมิสูง โครงสร้างเครือข่าย SiO2 จะทำปฏิกิริยากับ Al2O3 ที่ห่อหุ้มอยู่ภายในเพื่อสร้างมัลไลต์ ซึ่งสามารถเพิ่มความแข็งแรงที่อุณหภูมิปานกลางและสูงได้