低セメント耐火キャスタブルは、従来のアルミネートセメント耐火キャスタブルと比較されます。従来のアルミネートセメント耐火キャスタブルのセメント添加量は通常12～20％、水添加量は一般的に9～13％です。添加水量が多いため、鋳物は多くの気孔を持ち、緻密ではなく、強度が低くなります。また、セメント添加量が多いため、常温および低温強度は高くなりますが、中温でのアルミン酸カルシウムの結晶変態により強度が低下します。当然のことながら、添加されたCaOはキャスタブル中のSiO2およびAl2O3と反応して低融点物質を生成し、材料の高温特性を低下させます。
超微粉末技術、高効率混和剤、科学的な粒子粒度分布を採用することで、キャスタブルのセメント含有量を8％未満、水分含有量を7％以下に低減し、低セメント系耐火キャスタブルを製造・提供することができる。CaO含有量は2.5％以下であり、その性能指標は一般にアルミネートセメント系耐火キャスタブルの指標を上回っている。このタイプの耐火キャスタブルはチキソトロピー性に優れており、混合材料は一定の形状を持ち、わずかな外力で流動し始める。外力が除去されると、得られた形状を維持する。そのため、チキソトロピー性耐火キャスタブルとも呼ばれる。自己流動性耐火キャスタブルはチキソトロピー性耐火キャスタブルとも呼ばれ、このカテゴリーに属する。低セメント系耐火キャスタブルの正確な意味はまだ定義されていない。米国材料試験協会 (ASTM) は、CaO 含有量に基づいて耐火キャスタブルを定義および分類します。
低セメント系耐火キャスタブルは、緻密性と高強度が優れた特性です。これは製品の耐用年数と性能を向上させるのに効果的ですが、使用前の焼成に問題が生じます。つまり、焼成中に注意を怠ると、容易に注湯ができなくなる可能性があります。鋳体が破裂する現象は、少なくとも再注湯が必要になる可能性があり、深刻な場合は周囲の作業員の安全を危険にさらす可能性があります。そのため、各国でも低セメント系耐火キャスタブルの焼成に関する様々な研究が行われています。主な技術的対策としては、合理的なオーブンカーブの策定、優れた防爆剤の導入などにより、耐火キャスタブルの水分がスムーズに排出され、その他の副作用も発生しないようにしています。
超微粉体技術は、低セメント系耐火キャスタブルのキーテクノロジーです（現在、セラミックスや耐火物に使用されている超微粉体の実際の粒子径は、ほとんどが0.1～10μmであり、主に分散促進剤と構造緻密化剤として機能します。前者はセメント粒子を凝集させずに高度に分散させ、後者は注入体の微細孔を完全に埋めて強度を向上させます）。
現在、一般的に使用されている超微粉末の種類には、SiO2、α-Al2O3、Cr2O3などがあります。SiO2微粉末の比表面積は約20m2/gで、粒子径はセメント粒子径の約1/100であるため、充填性が良好です。また、SiO2、Al2O3、Cr2O3微粉末などは水中でコロイド粒子を形成することもできます。分散剤が存在すると、粒子表面に重なり合う電気二重層が形成され、静電反発力が発生し、粒子間のファンデルワールス力が克服され、界面エネルギーが低下します。粒子間の吸着や凝集を防ぐと同時に、分散剤が粒子の周りに吸着して溶媒層を形成し、これもキャスタブルの流動性を高めます。これも超微粉のメカニズムの一つで、超微粉と適切な分散剤を添加することで耐火キャスタブルの水消費量を削減し、流動性を向上させることができます。
低セメント系耐火キャスタブルの凝結硬化は、水和結合と凝集結合の複合作用によるものです。アルミン酸カルシウムセメントの水和硬化は、主に水和相CAおよびCA2の水和とそれらの水和物の結晶成長過程によって起こります。つまり、水と反応して六角形の薄片状または針状のCAH10、C2AH8、立方晶C3AH6結晶やAl2O3аqゲルなどの水和生成物を形成し、その後、硬化および加熱プロセス中に相互に連結した凝縮結晶化ネットワーク構造を形成します。凝集と結合は、活性SiO2超微粉末が水と接触してコロイド粒子を形成し、添加された添加剤（すなわち電解質物質）からゆっくりと解離したイオンと接触することによって発生します。両者の表面電荷が反対であるため、つまりコロイド表面に吸着された対イオンが「等電点」に達すると、電位が低下し、凝結が起こります。つまり、コロイド粒子表面の静電反発力がその引力よりも小さい場合、ファンデルワールス力の助けを借りて凝集結合が起こります。シリカ粉末を混合した耐火キャスタブルが凝結すると、SiO2表面に形成されたSi-OH基が乾燥・脱水されて架橋し、シロキサン（Si-O-Si）ネットワーク構造を形成して硬化します。シロキサンネットワーク構造では、温度上昇によってシリコンと酸素の結合が減少しないため、強度も向上し続けます。同時に、高温ではSiO2ネットワーク構造がそれを包み込むAl2O3と反応してムライトを形成し、中高温での強度を向上させることができます。
投稿日時: 2024年2月28日
