Tulenkestäviä valukappaleita, joissa on vähän sementtiä, verrataan perinteisiin alumiinisementtisementtivalukappaleisiin. Perinteisten alumiinisementtisementtivalukappaleiden sementin lisäysmäärä on yleensä 12–20 % ja veden lisäysmäärä yleensä 9–13 %. Suuren lisätyn vesimäärän vuoksi valukappaleessa on paljon huokosia, se ei ole tiivis ja sen lujuus on alhainen. Suuren lisätyn sementtimäärän vuoksi voidaan saavuttaa suurempia normaali- ja matalan lämpötilan lujuuksia, mutta lujuus heikkenee kalsiumaluminaatin kiteisen muutoksen vuoksi keskilämpötiloissa. Lisätty kalsiumoksidi reagoi ilmeisesti valukappaleessa olevan SiO2:n ja Al2O3:n kanssa muodostaen alhaisen sulamispisteen omaavia aineita, mikä johtaa materiaalin korkeiden lämpötilojen ominaisuuksien heikkenemiseen.
Kun käytetään erittäin hienojakoista jauheteknologiaa, tehokkaita lisäaineita ja tieteellistä hiukkasporrastusmenetelmää, valumassan sementtipitoisuus laskee alle 8 %:iin ja vesipitoisuus ≤ 7 %:iin, jolloin voidaan valmistaa ja saattaa markkinoille matalasementtistä sarjaa sisältävä tulenkestävä valumassa. CaO-pitoisuus on ≤ 2,5 %, ja sen suorituskykyindikaattorit ylittävät yleensä aluminaattisementtistä valmistettujen tulenkestävien valumassan ominaisuudet. Tämän tyyppisellä tulenkestävällä valumassalla on hyvä tiksotropia, eli seos saa tietyn muodon ja alkaa virrata pienellä ulkoisella voimalla. Kun ulkoinen voima poistetaan, se säilyttää saavutetun muodon. Siksi sitä kutsutaan myös tiksotrooppiseksi tulenkestäväksi valumassaksi. Itsevirtaavaa tulenkestävää valumassaa kutsutaan myös tiksotrooppiseksi tulenkestäväksi valumassaksi. Se kuuluu tähän kategoriaan. Matalasementtisen sarjaa sisältävien tulenkestävien valumassan tarkkaa merkitystä ei ole vielä määritelty. American Society for Testing and Materials (ASTM) määrittelee ja luokittelee tulenkestävät valumassat niiden CaO-pitoisuuden perusteella.
Vähäsementtisten tulenkestävien valukappaleiden erinomaisia ominaisuuksia ovat tiivis ja korkea lujuus. Tämä parantaa tuotteen käyttöikää ja suorituskykyä, mutta se aiheuttaa myös ongelmia paistamisessa ennen käyttöä, eli valu voi helposti tapahtua, jos paistamisen aikana ei ole varovainen. Kappaleen halkeamisen ilmiö voi vaatia vähintään uudelleenvalua tai vakavissa tapauksissa vaarantaa ympärillä olevien työntekijöiden henkilökohtaisen turvallisuuden. Siksi eri maissa on tehty erilaisia tutkimuksia vähäsementtisten tulenkestävien valukappaleiden paistamisesta. Tärkeimmät tekniset toimenpiteet ovat: kohtuullisten uunikäyrien laatiminen ja erinomaisten räjähdyksenestoaineiden lisääminen jne., mikä voi tehdä tulenkestävien valukappaleiden veden poistumisesta tasaisesti ilman muita sivuvaikutuksia.
Ultrahienojen jauheiden teknologia on avainteknologiaa matalasementtisten tulenkestävien valukappaleiden sarjoissa (tällä hetkellä useimmat keraamisissa ja tulenkestävissä materiaaleissa käytetyt ultrahienot jauheet ovat itse asiassa kooltaan 0,1–10 μm, ja ne toimivat pääasiassa dispersiokiihdyttiminä ja rakenteellisina tiivistiminä). Ensimmäinen tekee sementtihiukkasista erittäin dispergoituneita ilman flokkulaatiota, kun taas jälkimmäinen tekee valukappaleen mikrohuokosista täysin täytettyjä ja parantaa lujuutta).
Tällä hetkellä yleisesti käytettyjä ultrahienoja jauheita ovat SiO2, α-Al2O3, Cr2O3 jne. SiO2-mikrojauheen ominaispinta-ala on noin 20 m2/g ja sen hiukkaskoko on noin 1/100 sementin hiukkaskoosta, joten sillä on hyvät täyttöominaisuudet. Lisäksi SiO2, Al2O3, Cr2O3-mikrojauhe jne. voivat muodostaa kolloidisia hiukkasia vedessä. Kun dispergointiainetta on läsnä, hiukkasten pinnalle muodostuu päällekkäinen sähköinen kaksoiskerros, joka tuottaa sähköstaattista hylkimistä, mikä voittaa hiukkasten välisen van der Waalsin voiman ja vähentää rajapintaenergiaa. Se estää adsorptiota ja flokkausta hiukkasten välillä; samalla dispergointiaine adsorboituu hiukkasten ympärille muodostaen liuotinkerroksen, mikä myös lisää valukappaleen juoksevuutta. Tämä on myös yksi ultrahienojen jauheiden mekanismeista, eli ultrahienojen jauheiden ja sopivien dispergointiaineiden lisääminen voi vähentää tulenkestävien valukappaleiden vedenkulutusta ja parantaa juoksevuutta.
Vähäsementtisten tulenkestävien valukappaleiden kovettuminen ja kovettuminen on hydraatiosidoksen ja koheesiosidoksen yhteisvaikutuksen tulosta. Kalsiumaluminaattisementin hydraatio ja kovettuminen ovat pääasiassa hydraulisten faasien CA ja CA2 hydraatiota ja niiden hydraattien kidekasvuprosessia, eli ne reagoivat veden kanssa muodostaen kuusikulmaisia hiutaleita tai neulanmuotoisia CAH10-, C2AH8- ja hydraatiotuotteita, kuten kuutiollisia C3AH6-kiteitä ja Al2O3аq-geelejä, jotka muodostavat sitten toisiinsa yhteydessä olevan kondensaatio-kiteytymisverkostorakenteen kovettumis- ja kuumennusprosessien aikana. Agglomeraatio ja sitoutuminen johtuvat siitä, että aktiivinen SiO2-ultrahienot jauheet muodostavat kolloidisia hiukkasia kohdatessaan veden ja kohtaavat ionit, jotka hitaasti irtoavat lisätystä lisäaineesta (eli elektrolyyttiaineesta). Koska näiden kahden pintavaraukset ovat vastakkaiset, eli kolloidipintaan on adsorboitunut vastaioneja, mikä aiheuttaa £2-potentiaalin pienenemisen ja kondensaatiota tapahtuu, kun adsorptio saavuttaa "isoelektrisen pisteen". Toisin sanoen, kun kolloidisten hiukkasten pinnan sähköstaattinen hylkiminen on pienempi kuin niiden vetovoima, koheesiosidos tapahtuu van der Waalsin voiman avulla. Kun piidioksidijauheeseen sekoitettu tulenkestävä valumateriaali on tiivistynyt, SiO2:n pinnalle muodostuneet Si-OH-ryhmät kuivataan ja dehydratoidaan silloittumaan, jolloin muodostuu siloksaaniverkko (Si-O-Si), joka kovettuu. Siloksaaniverkkorakenteessa piin ja hapen väliset sidokset eivät heikkene lämpötilan noustessa, joten myös lujuus kasvaa edelleen. Samanaikaisesti korkeissa lämpötiloissa SiO2-verkkorakenne reagoi siihen käärittyjen Al2O3-yhdisteiden kanssa muodostaen mulliittia, mikä voi parantaa lujuutta keskilämpötiloissa ja korkeissa lämpötiloissa.
Julkaisun aika: 28. helmikuuta 2024
