鎂質(zhì)、鎂鋁質(zhì)、鎂鉻質(zhì)耐火泥漿顆粒組成檢測技術(shù)

一、檢測原理

耐火泥漿顆粒組成的檢測核心原理是基于顆粒在特定介質(zhì)中的沉降行為遵循斯托克斯定律（Stokes' Law）。該定律描述了球形顆粒在粘性流體中勻速沉降時，其末速與顆粒直徑的平方成正比。其表達(dá)式為：

其中：

• $v$ 為顆粒沉降末速（cm/s）

• $g$ 為重力加速度（cm/s²）

• $\rho_s$ 為顆粒密度（g/cm³）

• $\rho_f$ 為懸浮液介質(zhì)密度（g/cm³）

• $d$ 為顆粒等效球直徑（cm）

• $\eta$ 為懸浮液粘度（Pa·s）

基于此原理，通過測量不同時間點(diǎn)在懸浮液特定深度處顆粒的累積質(zhì)量或濃度，即可反算出該深度處所能沉降到的顆粒小粒徑，從而實現(xiàn)對顆粒群連續(xù)粒徑分布的測定。對于更精細(xì)的分離，利用離心沉降可以顯著提高細(xì)顆粒的分離效率，其原理是將重力加速度g替換為離心加速度ω²r。

激光衍射法是另一廣泛應(yīng)用的光學(xué)原理。當(dāng)激光束穿過分散的顆粒群時會發(fā)生衍射，顆粒尺寸不同，衍射角也不同。通過檢測衍射光能的角分布，利用米氏散射理論或夫瑯禾費(fèi)近似理論進(jìn)行數(shù)學(xué)反演，即可計算出顆粒群的體積粒徑分布。

二、檢測項目

耐火泥漿顆粒組成的檢測項目可系統(tǒng)分類如下：

1. 粒徑分布：核心檢測項目，描述不同粒徑顆粒在總顆粒群中的占比。

   • 累積分布：包括累積篩下分布（小于某粒徑的顆粒累計百分比）和累積篩上分布（大于某粒徑的顆粒累計百分比）。

   • 頻率分布：某一狹窄粒徑區(qū)間內(nèi)顆粒的百分比。

   • 特征粒徑：如D10、D50（中位粒徑）、D90、D97等，表示累積分布達(dá)到10%、50%、90%、97%時所對應(yīng)的粒徑。

2. 細(xì)粉含量：特指小于特定粒徑（如45μm、20μm）的顆粒含量，對泥漿的燒結(jié)性能、粘結(jié)強(qiáng)度和施工和易性有決定性影響。

3. 顆粒形貌分析：雖不直接屬于顆粒組成，但與顆粒堆積密度和泥漿性能密切相關(guān)。包括顆粒的球形度、棱角性、長寬比等。

4. 比表面積：與顆粒組成高度相關(guān)的衍生參數(shù)。單位質(zhì)量顆粒的總表面積，通過氣體吸附法或透氣法測定，可間接反映顆粒的粗細(xì)程度。

三、檢測范圍

耐火泥漿顆粒組成檢測覆蓋以下關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域：

• 鋼鐵冶金：應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐、電爐、精煉爐（LF、RH、VD）、鋼包、中間包等設(shè)備砌筑與噴補(bǔ)。要求泥漿與耐火磚匹配，顆粒分布優(yōu)化以確保高溫下的致密化和良好透氣性控制。

• 有色冶金：銅、鋁、鉛、鋅等冶煉爐、反射爐、電解槽。檢測需考慮特定金屬熔體和爐渣的化學(xué)侵蝕性，顆粒組成影響抗?jié)B透性。

• 水泥與建材：水泥回轉(zhuǎn)窯、玻璃熔窯。窯襯砌筑用泥漿要求顆粒組成能承受高溫、堿侵蝕和熱循環(huán)，確保窯皮掛附穩(wěn)定性。

• 石化與化工：氣化爐、裂解爐、重整爐。在高溫高壓及還原氣氛下，泥漿顆粒組成需保證密封性和結(jié)構(gòu)完整性。

• 陶瓷與耐火材料制造：自身生產(chǎn)過程中窯爐的砌筑維護(hù)。

四、檢測標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對檢測方法、儀器和結(jié)果表述均有詳細(xì)規(guī)定。

• 及國外標(biāo)準(zhǔn)：

  • ASTM C92： 耐火泥漿篩分和顆粒體積密度標(biāo)準(zhǔn)檢測方法。

  • ISO 8890： 耐火材料 - 粒度分布的測定 - 篩分法。

  • ASTM B822： 使用光散射法測定金屬粉末及相關(guān)化合物的粒度分布的標(biāo)準(zhǔn)測試方法（適用于激光法）。

  • ISO 13320： 粒度分析 - 激光衍射法。

• 中國標(biāo)準(zhǔn)：

  • GB/T 17617： 耐火原料和不定形耐火材料 取樣。

  • GB/T 21114： 耐火材料 X射線熒光光譜化學(xué)分析 - 熔鑄玻璃片法（前處理相關(guān)）。

  • YB/T 5205： 致密耐火澆注料 篩分析試驗方法。

  • 行業(yè)通用方法： 通常參照或等效采用ISO及ASTM標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合沉降法（安德森移液管法或沉降天平）進(jìn)行細(xì)顆粒分析。

• 標(biāo)準(zhǔn)對比分析：

  • 方法側(cè)重：中國標(biāo)準(zhǔn)與ISO標(biāo)準(zhǔn)更側(cè)重于傳統(tǒng)的篩分法與沉降法，作為基準(zhǔn)方法。ASTM標(biāo)準(zhǔn)體系對激光衍射法等現(xiàn)代技術(shù)接納更早、更系統(tǒng)。

  • 精度與范圍：篩分法（通常>45μm）與沉降法或激光法結(jié)合，可實現(xiàn)全粒徑范圍覆蓋。激光法在細(xì)粉端（<10μm）的精度和重復(fù)性通常優(yōu)于傳統(tǒng)沉降法。

  • 樣品制備：所有標(biāo)準(zhǔn)均強(qiáng)調(diào)樣品的代表性取樣和充分分散，是結(jié)果準(zhǔn)確性的前提。

五、檢測方法

1. 篩分法

   • 原理：利用一系列標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行機(jī)械篩分，按篩孔尺寸分離顆粒。

   • 操作要點(diǎn)：適用于粗顆粒部分（通常>45μm）。需使用標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)，規(guī)定篩分時間和振幅。對于泥漿，需先干燥、破碎結(jié)塊，再行篩分。結(jié)果以各級篩余物質(zhì)量百分比表示。

2. 沉降法

   • 原理：基于斯托克斯定律。

   • 操作要點(diǎn)：

     • 重力沉降（安德森移液管法、沉降天平）：配制特定密度的懸浮液，在恒溫下靜置。移液管法是在特定時間、特定深度抽取懸濁液，烘干稱重。沉降天平時自動記錄累積沉降質(zhì)量。適用于1μm至100μm范圍。

     • 離心沉降：通過離心力加速細(xì)顆粒沉降，擴(kuò)展測量下限至0.1μm甚至更細(xì)。

   • 關(guān)鍵：確保顆粒完全分散，準(zhǔn)確控制懸浮液溫度和粘度。

3. 激光衍射法

   • 原理：如前所述，利用顆粒對激光的散射特性。

   • 操作要點(diǎn)：樣品在循環(huán)分散液中經(jīng)超聲和機(jī)械攪拌充分分散后，泵入測量池。儀器快速掃描并反演計算粒徑分布。該方法測量速度快、重復(fù)性好、范圍寬（0.1μm至3000μm），已成為主流方法。

六、檢測儀器

1. 標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)：提供標(biāo)準(zhǔn)化、可重復(fù)的篩分動作，確保篩分效率一致。

2. 沉降式粒度儀：

   • 重力沉降儀：結(jié)構(gòu)相對簡單，但測試周期長，操作繁瑣。

   • 離心沉降儀：大幅縮短細(xì)顆粒檢測時間，精度高。

3. 激光粒度分析儀：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：集成光學(xué)平臺、樣品分散循環(huán)系統(tǒng)、檢測器陣列和核心算法軟件。采用米氏理論能提供更精確的結(jié)果，尤其對亞微米顆粒。具備自動化和高通量優(yōu)勢。

4. 掃描電子顯微鏡（SEM）：用于顆粒形貌的定性或半定量觀察，輔助解釋顆粒組成與性能的關(guān)系。

5. 比表面積分析儀：

   • 透氣法（勃氏法）：基于空氣透過壓實粉體床的阻力，快速測定，適用于生產(chǎn)控制。

   • 氣體吸附法（BET法）：利用低溫氮吸附，測量更精確，是比表面積測定的標(biāo)準(zhǔn)方法。

七、結(jié)果分析

1. 數(shù)據(jù)解讀：

   • 粒徑分布曲線：平滑連續(xù)的曲線通常表示顆粒分布均勻。出現(xiàn)雙峰或多峰可能表示混合了不同來源的原料或存在異常顆粒。

   • 特征粒徑值：

     • D50：反映顆粒的整體粗細(xì)水平。

     • D90/D97：反映粗顆粒端控制情況，影響泥漿施工時的懸浮性和涂抹性。

     • <45μm或<20μm含量：直接關(guān)聯(lián)泥漿的粘結(jié)強(qiáng)度、需水量和燒結(jié)行為。含量過高可能導(dǎo)致收縮過大、開裂；含量過低則粘結(jié)性不足。

2. 性能關(guān)聯(lián)評判：

   • 堆積密度：根據(jù)顆粒堆積理論，連續(xù)級配或緊密堆積的顆粒分布能獲得高的堆積密度和低的氣孔率，從而優(yōu)化泥漿燒結(jié)后的力學(xué)性能和抗侵蝕性。

   • 施工性能：合理的顆粒組成能保證泥漿具有良好的懸浮穩(wěn)定性、保水性和涂抹性，防止離析和泌水。

   • 高溫性能：細(xì)粉含量和分布影響液相生成溫度、燒結(jié)速率和終顯微結(jié)構(gòu)。需根據(jù)使用溫度和環(huán)境，評判其顆粒組成是否有利于形成期望的陶瓷結(jié)合。

3. 合格判定：將檢測結(jié)果與產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范、企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)或供需雙方約定的技術(shù)要求進(jìn)行比對，確認(rèn)各特征粒徑和細(xì)粉含量是否在允許范圍內(nèi)。對于不同材質(zhì)（鎂質(zhì)、鎂鋁質(zhì)、鎂鉻質(zhì)）和不同用途（砌筑、接縫、涂抹），其顆粒組成的佳范圍存在顯著差異，需具體分析。