煉鋼廠所用澆注料大多數(shù)為水泥及低水泥結(jié)合高鋁澆注料。這些澆注料成型固化后一般還需養(yǎng)護(hù)2~3d，拆模后一般還需烘爐7d。為了追求高爐的高效化與長(zhǎng)壽化，需要對(duì)爐體進(jìn)行熱態(tài)修補(bǔ)，這是水泥、樹脂和焦油結(jié)合材料都無(wú)法滿足的，因?yàn)樗嘟Y(jié)合材料需要足夠的水分和養(yǎng)護(hù)時(shí)間才能有良好的使用性能，而樹脂和焦油結(jié)合材料在熱態(tài)施工過(guò)程中產(chǎn)生有害氣體。為此，以硅溶膠為結(jié)合劑研制了高爐熱態(tài)修補(bǔ)用剛玉—莫來(lái)石快干澆注料。
1 性能檢測(cè)
1.1 試樣制備及性能檢測(cè)方法
1.2 研制硅溶膠結(jié)合剛玉-莫來(lái)石澆注料所用的主要原料有：w(Al2O3)≥98.0%的致密剛玉剛玉骨料和w(Al2O3)≥60%的合成莫來(lái)石骨料(粒度均≤0.043mm)，以及α—Al2O3微粉、硅溶膠結(jié)合劑、復(fù)合添加劑。原料的化學(xué)組成見表1。
表1 原料的化學(xué)組成
研制澆注料配料組成w為：致密剛玉30%，莫來(lái)石30%，剛玉粉10%，α-Al2O3微粉6%，礬土粉19%，復(fù)合添加劑5%，硅溶液10%，(外加)。
按上述配料組成配制一定量的試驗(yàn)料，攪拌均勻后按常規(guī)方法振動(dòng)澆注成40mm×40mm×160mm和70mm×70mm×70mm的試樣(通過(guò)調(diào)整固化劑用量，使試樣在90~150min內(nèi)固化)，自然放置12h后脫模，脫模后在烘箱中于110℃干燥24 h;另外，模擬高爐熱態(tài)修補(bǔ)工況，將攪拌好的澆注料在經(jīng)加熱爐加熱至500℃的40mmX40mmX160mm模具內(nèi)澆注成型，然后帶模放入烘箱中，于110℃烘烤約100 min后脫模，脫模后再于110℃烘烤24 h。將上述兩種方式成型的試樣分別在815、100和1400℃保溫3h熱處理。
取以兩種方式成型并經(jīng)不同溫度熱處理后的40mmX40mmX160mm的試樣，分別按 GB/T 2997—2000、GB/T 5988—2004、GB/T 3001—2000和GB/T 5072.2—2004檢測(cè)其體積密度、加熱永久線變化、常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度。對(duì)常溫澆注成型、110°C干燥后的70 mmX70mmX70mm的試樣，按GB/T 17617—1998進(jìn)行抗熱震試驗(yàn)(1100 °C，水冷)，并與礬土水泥結(jié)合剛玉質(zhì)澆注料試樣進(jìn)行對(duì)比。對(duì)部分試樣進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)和能譜分析。
1.2結(jié)果與討論
1.2.1常溫成型試樣的性能
常溫下澆注成型的硅溶膠結(jié)合剛玉-莫來(lái)石澆注料試樣經(jīng)不同溫度熱處理后的性能見表2�？梢钥闯觯汉娓珊笤嚇拥某乜拐蹚�(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度與普通低水泥高鋁澆注料的相當(dāng);815℃熱處理后試樣的常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度比烘干后的顯著增大，并且隨著熱處理溫度的繼續(xù)升高而繼續(xù)增大，但1400℃熱處理后試樣的性能指標(biāo)與1100℃熱處理后的差別不大。
表2常溫成型試樣經(jīng)不同溫度熱處理后的性能
硅溶膠為幾納米到數(shù)十納米的Si02顆粒的水系分散體系，黏度較低，在澆注料中具有很好的分散性和滲透性。當(dāng)硅溶膠在固化劑作用下發(fā)生膠凝時(shí)，納米Si02粒子表面的硅烷醇基團(tuán)發(fā)生聚合反應(yīng);在隨后的干燥失水過(guò)程中，Si02粒子進(jìn)一步發(fā)生聚合，將基質(zhì)細(xì)粉和微粉顆粒牢固地結(jié)合在一起。因此，硅溶膠結(jié)合剛玉-莫來(lái)石澆注料試樣具有較高的烘干強(qiáng)度。
由于來(lái)自硅溶膠中的SiO2的反應(yīng)活性極高，并且與活性α-Al2O3等顆粒充分接觸，降低了它與基質(zhì)中α-Al2O3等顆粒發(fā)生反應(yīng)的溫度，使材料在較低的溫度下就發(fā)生燒結(jié)，從而使材料在中溫處理后的強(qiáng)度比烘干后的大，而不像水泥結(jié)合澆注料那樣中溫處理后因水泥水化物的分解其強(qiáng)度反而下降。1400℃熱處理后試樣的性能指標(biāo)與1100℃熱處理后的差別不大，表明試樣在1100℃已形成較好的燒結(jié)。
抗熱震試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：常溫澆注成型的硅溶膠結(jié)合剛玉-莫來(lái)石試樣熱震循環(huán)(1100 °C，水冷)100次后基本上沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，熱震后試樣在110℃烘干24h后其常溫耐壓強(qiáng)度在100 MPa以上，耐壓強(qiáng)度損失率僅為18.7% ;而礬土水泥結(jié)合剛玉質(zhì)澆注料試樣熱震循環(huán)(1100 C，水冷)49次后就完全開裂。
1.2.2熱態(tài)成型試樣的性能
熱態(tài)成型且直接烘烤的硅溶膠結(jié)合剛玉-莫來(lái)石試樣經(jīng)不同溫度熱處理后的性能見表3。對(duì)比表2可知，熱態(tài)成型及直接烘烤對(duì)材料的性能影響不大，表明硅溶膠結(jié)合剛玉-莫來(lái)石澆注料應(yīng)該能夠用于高爐熱態(tài)修補(bǔ)。
表3熱態(tài)成型試樣經(jīng)不同溫度熱處理后的性能
Table 3 Properties of specimens shaped at high temperature
1.2.3顯微結(jié)構(gòu)
常溫澆注成型的硅溶膠結(jié)合剛玉-莫來(lái)石澆注料試樣和礬土水泥結(jié)合剛玉澆注料試樣經(jīng)1 100 °C熱處理后的SEM照片見圖1。
圖1 1100℃處理后礬土水泥結(jié)合剛玉質(zhì)澆注料和硅溶膠結(jié)
合剛玉-莫來(lái)石澆注料的SEM照片 Fig. 1 SEM photographs of bauxite cement bonded corundum castable and silicon sol bonded corundum - mullite castable fired at 1100 °C
可以看出：1100 °C熱處理后，礬土水泥結(jié)合剛玉澆注料的基質(zhì)基本上沒(méi)有燒結(jié)，晶粒孤立存在，氣孔較大;而硅溶膠結(jié)合剛玉-莫來(lái)石澆注料燒結(jié)較好。對(duì)硅溶膠結(jié)合剛玉-莫來(lái)石澆注料氣孔周圍的微小晶粒作進(jìn)_步觀察和能譜分析(見圖2)后發(fā)現(xiàn)，它們是莫來(lái)石，表明材料在1100℃熱處理過(guò)程中形成了莫來(lái)石。
圖2 氣孔周圍微小晶粒的顯微結(jié)構(gòu)及能譜分析
Fig. 2 Microstructure and EDS analysis of micro-crystal around pores
3結(jié)語(yǔ)
（1）硅溶膠結(jié)合剛玉-莫來(lái)石澆注料具有較高的烘干后強(qiáng)度和中高溫處理后強(qiáng)度，具有良好的抗熱震性。
（2）在實(shí)際應(yīng)用中，該澆注料的脫模時(shí)間和烘爐時(shí)間大大縮短，可以熱態(tài)澆注，并且具有良好的使用性能。