مواد و فناوری‌های پیشرفته

مواد و فناوری‌های پیشرفته

مطالعه‌ی تأثیر استفاده از سیستم چسب هیبریدی سیلیکای کلوئیدی-سیمان کلسیم آلومیناتی بر ریزساختار و خواص مکانیکی جرم‌های ریختنی آلومینا بالا

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دکتری، پژوهشکده‌ی سرامیک، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران
2 استاد، پژوهشکده‌ی سرامیک، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران
3 استاد، دپارتمان علم و مهندسی مواد، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران
چکیده
با افزایش کاربرد دیرگدازهای بی‌شکل، به‌ویژه جرم‌های ریختنی، تحقیقات بسیاری بر بهبود خواص فیزیکی، مکانیکی و ترمومکانیکی این مواد متمرکز شده است. به‌منظور رفع محدودیت‌های سیمان آلومینات کلسیم ناشی از تشکیل فازهای کم‌ذوب، سیستم‌های پیوندی سل-ژل به‌عنوان رویکردی مؤثر در بهبود استحکام و خواص دمای بالا توسعه یافته‌اند. در این مطالعه، تأثیر جایگزین کردن بخشی از سیمان مورد استفاده در جرم با مقادیر مختلف سیلیکای کلوئیدی بررسی شد. این جرم‌های ریختنی به روش‌های معمول فراوری و در دمای 1500 درجه‌ی سلسیوس تف‌جوشی شدند تا خواص مکانیکی و ریزساختار آن‌ها بررسی شود. برای این منظور، استحکام فشاری سرد جرم‌های تهیه‌شده اندازه‌گیری شد که جرم حاوی 75 درصد سیمان + 25 درصد سیلیکای کلوئیدی (به‌عنوان عامل اتصال) بیشترین استحکام فشاری MPa 78 را نشان داد. آنالیزهای فازی با پراش پرتو ایکس (XRD) و بررسی‌های ریزساختاری با میکروسکوپ الکترونی روبشی (FESEM/EDS) نیز برای درک علل توسعه‌ی این خواص انجام شده است که نشان دادند در این نمونه تخلخل به‌طور قابل‌توجهی کاهش یافته است که علت آن کاهش مصرف آب برای تولید جرم است. همچنین، آنالیز طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR) تشکیل شبکه‌ی گسترده‌‌ی سیلوکسان (Si-O-Si) در جرم را تأیید کرد. تشکیل فاز کلسیم آلومیناتی به همراه کاهش تخلخل ساختار از عواملی بودند که بر افزایش استحکام فشاری سرد نمونه تأثیر داشته‌اند. بااین‌حال، در مقادیر بالاتر سیلیکای کلوئیدی، کاهش سهم پیوندهای هیدرولیکی سیمان باعث افت استحکام نمونه شده است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Study on the Effect of Using a Hybrid Colloidal Silica–Calcium Aluminate Cement Bonding System on the Microstructure and Mechanical Properties of High-Alumina Castables

نویسندگان English

Souren Kashkooli 1
Touraj Ebadzadeh 2
Masoud Alizadeh 2
Mahdi Ghasemi Kakroodi 3
1 PhD Student, Department of Ceramic, Materials and Energy Research Center, Karaj, Iran.
2 Professor, Department of Ceramic, Materials and Energy Research Center, Karaj, Iran.
3 Professor, Department of Materials Science and Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran.
چکیده English

With the growing utilization of monolithic refractories, particularly castables, considerable research efforts have been devoted to enhancing their physical, mechanical, and thermomechanical properties. To address the limitations of calcium aluminate cement associated with the formation of low-melting phases, sol–gel bonding systems have been developed as an effective strategy to improve strength and high-temperature performance. In this study, the effect of partially substituting cement with different proportions of colloidal silica in castable formulations was examined. The castables were prepared using conventional processing techniques and sintered at 1500 °C to assess their mechanical performance and microstructural characteristics. Cold crushing strength (CCS) measurements indicated that the composition containing 75% cement and 25% colloidal silica exhibited the highest CCS value of 78 MPa. Phase identification was carried out by X-ray diffraction (XRD), while field-emission scanning electron microscopy coupled with energy-dispersive spectroscopy (FESEM/EDS) revealed a notable reduction in porosity, primarily due to the lower water demand during casting. Additionally, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) demonstrated the gelation process and the formation of an extensive siloxane (Si–O–Si) network. The combined formation of the calcium aluminate phase and decreased porosity contributed to the improved CCS. However, further increases in colloidal silica content led to a decline in strength, attributed to the reduced contribution of hydraulic bonding from cement.

کلیدواژه‌ها English

High-Alumina Castable
Low-Cement Castable
Colloidal Silica
Sol-Gel
Alireza, S., Fatemeh, K. N., & Hossein, S. (2011). Improving thermo-mechanical properties of tabular alumina castables via using nano structured colloidal silica (Doctoral dissertation, Sumy State University). https://www.researchgate.net/publication/302996166
Banerjee, S. (1998a). Monolithic refractories: a comprehensive handbook. John Wiley & Sons. https://books.google.com/books?hl=en&lr=&id=BLgMEQAAQBAJ&oi=fnd&pg=PA1&dq2
Banerjee, S. (1998b). Recent developments in monolithic refractories. American Ceramic Society Bulletin, 77(10), 59-63.https://pascal-francis.inist.fr/vibad/index.php?action=getRecordDetail&idt=2408440
Dos Anjos, R., Ismael, M., De Oliveira, I., & Pandolfelli, V. (2008). Workability and setting parameters evaluation of colloidal silica bonded refractory suspensions. Ceramics International, 34(1), 165-171. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2006.09.004
Ismael, M., Salomão, R., & Pandolfelli, V. (2007). Refractory castables based on colloidal silica and hydratable alumina. American Ceramic Society Bulletin, 86(9), 58. https://www.researchgate.net/publication/285899882
Madej, D., Boris, R., Stonys, R., Antonovič, V., & Kruk, A. (2025). Effects of silica sol on hydration properties, impedance response, microstructure and strength of calcium aluminate cement. Ceramics International, 51(20), 31176-31191. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2025.04.305
Milani, S. S., & Kakroudi, M. G. (2025). Effect of different binders on microstructural evolution and strength of sol-gel bonded Al₂O₃-spinel castables. Synthesis and Sintering, 5(1), 73-81.  https://doi.org/10.53063/synsint.2025.51264
Piippo, A., Ruotanen, K., Visuri, V. V., Poutiainen, N., & Heikkinen, E. P. (2024). Experimental Study on the Effect of Calcium Aluminate Cement Addition on the Drying and Physical Properties of Refractory Castables Containing Colloidal Silica. Materials, 17(21), 5308. https://doi.org/10.3390/ma17215308
Rangdal, P., & Patil, S. B. (2023). Synthesis of Alumina Sol Binder for Pure Alumina Refractory Castable and its Comparison with Other Commercially Available Binders. Journal of The Institution of Engineers (India): Series D, 104(2), 805-809. https://doi.org/10.1007/s40033-022-00420-3
ShafieiRad, S., Monshi, A., & SafarTelori, A. (2013). Synthesis and Investigation of Composite of Magnesium OxyChloride and Tri hydrate Magnesium Hydrogen Phosphate with Nano Silica. Advanced Materials and Techmologies, 2(1), 81-89. [In Persian] https://doi.org/10.30501/jamt.2634.70186  
Singh, A. K., & Sarkar, R. (2016). Nano mullite bonded refractory castable composition for high temperature applications. Ceramics International, 42(11), 12937-12945. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.05.066
Yaghoubi, H., Sarpoolaky, H., Golestanifard, F., & Souri, A. (2012). Influence of nano silica on properties and microstructure of high alumina ultra-low cement refractory castables. Iranian Journal of Materials Science & Engineering, 9(2), 50-58. http://ijmse.iust.ac.ir/article-1-440-en.html
Zemánek, D., & Nevřivová, L. (2021a). Influence of Colloidal Silica on Final Properties of no Cement Castables. Solid State Phenomena, 321, 125-130. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.321.125
Zemánek, D., & Nevřivová, L. (2021b). Use of the sol-gel method for the production of no cement castables. In AIP Conference Proceedings (Vol. 2322, No. 1, p. 020004). AIP Publishing LLC. https://doi.org/10.1063/5.0041627
Zhou, N. (2004). Advances in modern refractory castables. China's Refractories, 13(2), 3-12. http://www.cnref.cn/EN/abstract/abstract2672.shtml
Zhu, Z., Jiang, T., Li, G., Guo, Y., & Yang, Y. (2011). Thermodynamics of reactions among Al2O3, CaO, SiO2 and Fe2O3 during roasting processes. In Thermodynamics-Interaction Studies-Solids, Liquids and Gases. IntechOpen.  http://doi.org/10.5772/21545
 
 
 
 
 
دوره 14، شماره 2
تابستان 1404
صفحه 64-75

  • تاریخ دریافت 24 تیر 1404
  • تاریخ بازنگری 10 مرداد 1404
  • تاریخ پذیرش 08 مهر 1404