Introduzione ai prodotti refrattari colabili a basso contenuto di cemento

I refrattari colabili a basso contenuto di cemento vengono confrontati con i refrattari colabili tradizionali a base di cemento alluminato. La quantità di cemento aggiunta nei refrattari colabili tradizionali a base di cemento alluminato è solitamente del 12-20%, mentre la quantità di acqua aggiunta è generalmente del 9-13%. A causa dell'elevata quantità di acqua aggiunta, il corpo colabile presenta molti pori, non è denso e ha una bassa resistenza; a causa dell'elevata quantità di cemento aggiunto, sebbene si possano ottenere resistenze a temperature normali e basse più elevate, la resistenza diminuisce a causa della trasformazione cristallina dell'alluminato di calcio a temperature medie. Ovviamente, il CaO introdotto reagisce con SiO2 e Al2O3 nel refrattario colabile generando alcune sostanze a basso punto di fusione, con conseguente deterioramento delle proprietà del materiale alle alte temperature.

Quando si utilizzano la tecnologia delle polveri ultrafini, additivi ad alta efficienza e una granulometria scientifica, il contenuto di cemento del refrattario colabile si riduce a meno dell'8% e il contenuto di acqua a ≤7%, consentendo la preparazione di un refrattario colabile a basso contenuto di cemento con un contenuto di CaO ≤2,5%, le cui prestazioni generalmente superano quelle dei refrattari colabili a base di cemento alluminato. Questo tipo di refrattario colabile presenta una buona tissotropia, ovvero il materiale miscelato assume una determinata forma e inizia a fluire con una piccola forza esterna. Quando la forza esterna viene rimossa, mantiene la forma ottenuta. Pertanto, viene anche chiamato refrattario colabile tissotropico. Anche il refrattario colabile autofluente appartiene a questa categoria. Il significato preciso di refrattario colabile a basso contenuto di cemento non è stato ancora definito. La Società americana per i test e i materiali (ASTM) definisce e classifica i refrattari colabili in base al loro contenuto di CaO.

Densità e resistenza elevate sono le caratteristiche principali dei refrattari colabili a basso contenuto di cemento. Questo contribuisce a migliorare la durata e le prestazioni del prodotto, ma comporta anche problemi durante la cottura pre-utilizzo, in quanto si possono verificare colate incontrollate se non si presta la dovuta attenzione. Il fenomeno della rottura del materiale può richiedere, come minimo, una nuova colata, o, nei casi più gravi, mettere a rischio l'incolumità dei lavoratori circostanti. Pertanto, diversi paesi hanno condotto studi sulla cottura dei refrattari colabili a basso contenuto di cemento. Le principali misure tecniche adottate includono: la formulazione di curve di cottura adeguate e l'introduzione di agenti anti-esplosione, ecc., che consentono di eliminare l'acqua dai refrattari colabili in modo uniforme e senza causare altri effetti collaterali.

La tecnologia delle polveri ultrafini è la tecnologia chiave per i refrattari colabili a basso contenuto di cemento (attualmente la maggior parte delle polveri ultrafini utilizzate in ceramica e nei materiali refrattari ha dimensioni comprese tra 0,1 e 10 μm e funziona principalmente come acceleratore di dispersione e densificatore strutturale. La prima rende le particelle di cemento altamente disperse senza flocculazione, mentre la seconda riempie completamente i micropori nel corpo colabile e ne migliora la resistenza.

Attualmente, tra le polveri ultrafini comunemente utilizzate si annoverano SiO2, α-Al2O3, Cr2O3, ecc. La superficie specifica della micropolvera di SiO2 è di circa 20 m2/g e la sua dimensione delle particelle è circa 1/100 di quella delle particelle di cemento, pertanto presenta buone proprietà di riempimento. Inoltre, le micropolveri di SiO2, Al2O3, Cr2O3, ecc. possono anche formare particelle colloidali in acqua. In presenza di un disperdente, si forma un doppio strato elettrico sovrapposto sulla superficie delle particelle che genera repulsione elettrostatica, la quale supera la forza di van der Waals tra le particelle e riduce l'energia interfacciale. Ciò impedisce l'adsorbimento e la flocculazione tra le particelle; allo stesso tempo, il disperdente viene adsorbito attorno alle particelle per formare uno strato di solvente, che aumenta anche la fluidità del materiale colabile. Questo è anche uno dei meccanismi delle polveri ultrafini, ovvero l'aggiunta di polveri ultrafini e disperdenti appropriati può ridurre il consumo di acqua dei refrattari colabili e migliorarne la fluidità.

La presa e l'indurimento dei refrattari colabili a basso contenuto di cemento sono il risultato dell'azione combinata di legame per idratazione e legame per coesione. L'idratazione e l'indurimento del cemento alluminato di calcio sono principalmente dovuti all'idratazione delle fasi idrauliche CA e CA2 e al processo di crescita cristallina dei loro idrati, ovvero, questi reagiscono con l'acqua per formare scaglie esagonali o aghiformi CAH10, C2AH8 e prodotti di idratazione come cristalli cubici C3AH6 e gel di Al2O3aq che formano poi una struttura reticolare interconnessa di condensazione-cristallizzazione durante i processi di stagionatura e riscaldamento. L'agglomerazione e il legame sono dovuti alla polvere ultrafine attiva di SiO2 che forma particelle colloidali a contatto con l'acqua e con gli ioni lentamente dissociati dall'additivo aggiunto (ovvero la sostanza elettrolitica). Poiché le cariche superficiali dei due sono opposte, ovvero la superficie del colloide ha adsorbito controioni, causando una diminuzione del potenziale e la condensazione si verifica quando l'adsorbimento raggiunge il "punto isoelettrico". In altre parole, quando la repulsione elettrostatica sulla superficie delle particelle colloidali è inferiore alla loro attrazione, si verifica un legame coesivo con l'aiuto della forza di van der Waals. Dopo la condensazione del refrattario colabile miscelato con polvere di silice, i gruppi Si-OH formati sulla superficie di SiO2 vengono essiccati e disidratati per formare un ponte, dando origine a una struttura reticolare di silossano (Si-O-Si), che indurisce il materiale. Nella struttura reticolare di silossano, i legami tra silicio e ossigeno non diminuiscono all'aumentare della temperatura, quindi anche la resistenza continua ad aumentare. Allo stesso tempo, ad alte temperature, la struttura reticolare di SiO2 reagisce con l'Al2O3 in essa avvolto per formare mullite, che può migliorare la resistenza a temperature medie e alte.