以密剛玉和莫來石為骨料，白剛玉粉、礬土粉及α-Al2O3(≤0.043mm)微粉為細粉，采用硅溶及復合外加劑作結合劑的耐火澆注料，該硅溶膠結合澆注料制成的試樣分別經(jīng)800℃×3h、1100℃×3h和1400℃×3h熱處理后，檢測各試樣相應的理化指標。結果表明：硅溶膠結合澆注料經(jīng)1100℃×3h處理后的抗折強度和耐壓強度沒有出現(xiàn)裂紋，測試其耐壓強度損失率僅為18.7%;同時該澆注料還可進行快速烘烤和良好的高溫施工性能，簡化了干燥和烘烤工藝，有效的縮短了施工養(yǎng)護時間、烘烤時間和鋼廠高爐的休風時間，從而提高鋼廠經(jīng)濟效益。
硅溶膠是粒徑從幾納米到數(shù)十納米的多聚硅酸分散體系，溶膠粒子內(nèi)部結構為硅氧烷(-Si-O-Si-)網(wǎng)絡，表面層由許多硅烷醇基(-SiOH)和羥基(-OH)所覆蓋。當硅溶膠與Al2O3微粉混合時，膠體粒子可吸附在Al2O3顆粒表面，形成單層飽和分布，同時填充于Al2O3顆粒間隙，因此分散性、滲透性較好。通過干燥或燒結處理，膠體粒子以化學鍵(-Si-O-Si)相結合，形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡結構，將Al2O3顆粒牢固結合在一起，并在Al2O3顆粒表明形成納米材料的粘結、固化和成型特性。經(jīng)試驗總結分析該材料具有如下特性:
(1)無需養(yǎng)護便可快速烘烤：溶膠結合澆注料是膠體凝膠而產(chǎn)生結合耐火材料，溶膠凝膠受pH值影響較大，調(diào)節(jié)pH值可有效的控制材料滿足施工要求的固化時間。材料內(nèi)部水化凝膠結晶，成型時產(chǎn)生的一些微氣孔可有效的排出材料內(nèi)部快速烘烤時產(chǎn)生的水蒸氣;
(2)良好的體積穩(wěn)定性及抗熱震穩(wěn)定性，經(jīng)大量實驗驗證，溶膠結合材料在800℃×3h燒后線變化基本為零，1400℃×3h燒后線變化率僅在+0.2%左右。很好的滿足了工業(yè)窯爐生產(chǎn)中對耐火材料體積穩(wěn)定性的要求，同時我們對干燥后70mm×70mm×70mm的試樣進行了1100℃≒水冷抗熱震性的對比測試。以水泥結合的試樣經(jīng)四十幾次熱震循環(huán)就完全開裂，而溶膠結合的熱震循環(huán)100次后基本沒有出現(xiàn)裂紋，把經(jīng)熱震100次后的試樣110℃測試其耐壓強度，多次結果表明，溶膠結合的材料耐壓強度保持率(熱震100次后的耐壓強度與熱震前耐壓強度的比值×100%)在80%以上;
(3)良好抗CO侵蝕性能;為了直接體現(xiàn)溶膠結合耐火澆注料的抗CO侵蝕性能的優(yōu)越性，我們用傳統(tǒng)的水泥結合耐火澆注料與溶膠結合澆注料進行了對比，把兩種形同材質的澆注料同時放入到純CO氣氛中進行500℃的連續(xù)熱處理，其結果是：水泥結合的澆注料在經(jīng)熱處理50h后試樣就破裂為兩半，100h后試樣出現(xiàn)一處大塊剝落，有大顆粒碳沉積，150h后出現(xiàn)數(shù)處裂紋，200h有大塊剝落，多出出現(xiàn)裂紋，表明其已受CO嚴重侵蝕。而溶膠結合的澆注料50h后試樣表面出現(xiàn)一處碳沉積，100h后試樣表面出現(xiàn)一片剝落，而150h僅有出現(xiàn)幾處開裂，而200h后試樣整體變黑，碳黑沉積在試樣的各個氣孔中，試樣從表面到內(nèi)部受到嚴重的蝕損。
2 試驗及結果分析
隨著資源節(jié)約和環(huán)境友好和諧社會發(fā)展的需要，高爐的高效與長壽是現(xiàn)代煉鐵所追求的目標，而有效的爐體維護是實現(xiàn)爐體高效與長壽的關鍵。目前我國高爐爐體快速修補技術已得到推廣應用。但是，目前使用的修補材料大多采用樹脂及焦油作結合劑，這類材料常溫難以固化，體積穩(wěn)定性較差，中低溫烘烤時還產(chǎn)生大量有害氣體。為了有效改善目前修補材料的性能，增加修補材料新品種，我們研制了溶膠結合耐火材料。試驗所用主要原料為致密剛玉澆注料(w(Al2O3)≥98.6%)，莫來石骨料(w(Al2O3)≥60%)粒度均為5~8、3~5、1~3及<1mm，白剛玉粉(w(Al2O3)≥99.40%，0.043mm)，α-Al2O3微粉及礬土粉(w(Al2O3)≥60%，0.043mm);α-Al2O3微粉及礬土粉(w(Al2O3)≥60%，0.043mm);結合劑用硅溶膠及復合添加劑。
按一定的質量比稱取各相應的原料放入攪拌鍋中均勻，并分別添加適量的復合添加劑和結合劑。經(jīng)試驗測定該材料的流動速度為107.8%(跳桌法)，能較好的滿足材料的施工性能要求。同時通過對材料現(xiàn)場澆注過程的分析，我們采用相應的模擬試驗，把攪拌好的料直接放入一定溫度的40mm×40mm×160mm模具內(nèi)振動成型，把成型好的試樣及其模具一起放入烘箱進行60℃×3h的烘烤后脫模，此階段相當于材料的澆注施工中，因為不斷鋪料時，材料中含自由水分的揮發(fā)，有效的降低了材料施工環(huán)境的溫度，而材料在施工完成后，水分逐漸排出，溫度開始升高，因此我們烘烤2個小時直接進行110℃烘烤，經(jīng)過約2h烘烤后，材料內(nèi)部自由水分基本完全排出(通過對試樣在110℃經(jīng)2h、4h、6h烘烤后，測得試樣的質量在2h后變化不大，4h基本無變化)，其后就對試樣分別進行815、1100和1400℃保溫3h的熱處理，相當于高爐修補后的復風。其理化指標見表2。
表2 不同溫度熱處理后試樣常溫性能的理化指標
按上面相同的質量比分別采用溶膠和水泥結合攪拌均勻的材料，放入尺寸分別為40mm×40mm×160mm和70mm×70mm×70mm常溫模具內(nèi)澆注成型，自然固化后脫模，對試樣進行110℃×24h的干燥，然后將該試樣于高溫成型的試樣一起分別進行815、1100和1400℃保溫3h的熱處理。其理化指標見表3。
表3 不同溫度熱處理后試樣常溫性能的理化指標
從表3的理化數(shù)據(jù)來看，溶膠結合澆注料抗折和耐壓強度隨熱處理溫度的升高和明顯增加，這與水泥結合澆注料相比優(yōu)點明顯，其主要原因是硅溶膠中納米SiO2的反應活性極高，并且膠體粒子吸附在活性α-Al2O3顆粒表面，并填充于α-Al2O3顆粒間隙，當二者之間充分接觸，降低了莫來石化溫度，從試樣經(jīng)1100℃與1400℃熱處理后的理化指標差別不大，可知此澆注料經(jīng)1100℃熱處理后已形成較好的燒結。
通過表2與表3的理化指標對比可知，材料在高溫狀態(tài)下成型對材料的性能影響不大，說明該材料在保證使用性能的同時，在短暫的休風時的高溫條件下對高爐進行及時有效的修補，防止高爐事故惡化，有效的提高了高爐的高效與長壽，為鋼廠爭取更高的經(jīng)濟效益。
另外我們對采用溶膠結合和水泥結合澆注料制成70mm×70mm×70mm干燥后的試樣進行了1100℃水冷抗熱震性的對比檢測。結果表明，以水泥結合的試樣經(jīng)過100次后基本沒有出現(xiàn)裂紋。所以，硅溶膠結合試樣的抗熱震性明顯優(yōu)于水泥結合的。圖1為1100℃處理后試樣的SEM照片。
圖1 1100℃處理后試樣的SEM照片(a)水泥集合(b)硅溶膠結合
從圖1可以看出；在1100℃礬土水泥結合的剛玉-莫來石澆注料中，基質基本沒形成燒結，大小晶粒孤立存在，相互之間存在較大的氣孔，這樣的材料其導熱系數(shù)就會較低。因此，當材料受急冷急熱變化時在材料內(nèi)部就產(chǎn)生較大的溫度梯度，材料所受的熱應力也就越大，經(jīng)過多次熱震循環(huán)，材料基質較易因熱應力循環(huán)疲勞產(chǎn)生裂紋，裂紋產(chǎn)生后，在熱震循環(huán)中易形成裂紋尖端應力集中，由于材料又沒有形成較好的燒結，裂紋較易擴展，最終導致材料的開裂。所以，水泥結合的剛玉-莫來石澆注料的抗熱震性較差，在水冷熱震循環(huán)中不到50次就已經(jīng)開裂。相對比溶膠結合澆注料具有良好的抗熱震穩(wěn)定性原因是：(1)溶膠結合材料的體積穩(wěn)定性極好，因此材料在急冷急熱時材料內(nèi)部不易產(chǎn)生過大的形變而產(chǎn)生應力集中；(2)溶膠中的活性較高的納米SiO2和α-Al2O3微粉充分接觸，大大的降低了材料燒結溫度，因此在1100℃熱處理下材料較易形成莫來石化燒結反應，形成有效燒結，材料內(nèi)部產(chǎn)生良好的網(wǎng)絡結構，同時材料內(nèi)部不同結晶體因熱膨脹系數(shù)不一致引起的熱膨脹失配產(chǎn)生較多的微裂紋，已形成穩(wěn)定的結構及其產(chǎn)生微裂紋不僅能吸收材料的彈性應變能，使驅動主裂紋擴展的能量較低，都能有效的阻止裂紋的擴展，因此該硅溶膠結合澆注料試樣經(jīng)過100次熱震循環(huán)后基本沒有出現(xiàn)裂紋，對熱震后的試塊進行了110℃×24h烘干，其耐壓強度在100MPa以上，耐壓保持率高達近80%(熱震100后的耐壓強度與熱震前耐壓強度的比值×100%)。