以密剛玉和莫來(lái)石為骨料，白剛玉粉、礬土粉及α-Al2O3(≤0.043mm)微粉為細(xì)粉，采用硅溶及復(fù)合外加劑作結(jié)合劑的耐火澆注料，該硅溶膠結(jié)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(cè)各試樣相應(yīng)的理化指標(biāo)。結(jié)果表明：硅溶膠結(jié)合澆注料經(jīng)1100℃×3h處理后的抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，測(cè)試其耐壓強(qiáng)度損失率僅為18.7%;同時(shí)該澆注料還可進(jìn)行快速烘烤和良好的高溫施工性能，簡(jiǎn)化了干燥和烘烤工藝，有效的縮短了施工養(yǎng)護(hù)時(shí)間、烘烤時(shí)間和鋼廠高爐的休風(fēng)時(shí)間，從而提高鋼廠經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)為硅氧烷(-Si-O-Si-)網(wǎng)絡(luò)，表面層由許多硅烷醇基(-SiOH)和羥基(-OH)所覆蓋。當(dāng)硅溶膠與Al₂O₃微粉混合時(shí)，膠體粒子可吸附在Al₂O₃顆粒表面，形成單層飽和分布，同時(shí)填充于Al₂O₃顆粒間隙，因此分散性、滲透性較好。通過(guò)干燥或燒結(jié)處理，膠體粒子以化學(xué)鍵(-Si-O-Si)相結(jié)合，形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將Al₂O₃顆粒牢固結(jié)合在一起，并在Al₂O₃顆粒表明形成納米材料的粘結(jié)、固化和成型特性。經(jīng)試驗(yàn)總結(jié)分析該材料具有如下特性:

(1)無(wú)需養(yǎng)護(hù)便可快速烘烤：溶膠結(jié)合澆注料是膠體凝膠而產(chǎn)生結(jié)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(shí)間。材料內(nèi)部水化凝膠結(jié)晶，成型時(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，溶膠結(jié)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(duì)耐火材料體積穩(wěn)定性的要求，同時(shí)我們對(duì)干燥后70mm×70mm×70mm的試樣進(jìn)行了1100℃≒水冷抗熱震性的對(duì)比測(cè)試。以水泥結(jié)合的試樣經(jīng)四十幾次熱震循環(huán)就完全開裂，而溶膠結(jié)合的熱震循環(huán)100次后基本沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，把經(jīng)熱震100次后的試樣110℃測(cè)試其耐壓強(qiáng)度，多次結(jié)果表明，溶膠結(jié)合的材料耐壓強(qiáng)度保持率(熱震100次后的耐壓強(qiáng)度與熱震前耐壓強(qiáng)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(jié)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(jié)合耐火澆注料與溶膠結(jié)合澆注料進(jìn)行了對(duì)比，把兩種形同材質(zhì)的澆注料同時(shí)放入到純CO氣氛中進(jìn)行500℃的連續(xù)熱處理，其結(jié)果是：水泥結(jié)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(yán)重侵蝕。而溶膠結(jié)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(gè)氣孔中，試樣從表面到內(nèi)部受到嚴(yán)重的蝕損。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

隨著資源節(jié)約和環(huán)境友好和諧社會(huì)發(fā)展的需要，高爐的高效與長(zhǎng)壽是現(xiàn)代煉鐵所追求的目標(biāo)，而有效的爐體維護(hù)是實(shí)現(xiàn)爐體高效與長(zhǎng)壽的關(guān)鍵。目前我國(guó)高爐爐體快速修補(bǔ)技術(shù)已得到推廣應(yīng)用。但是，目前使用的修補(bǔ)材料大多采用樹脂及焦油作結(jié)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(shí)還產(chǎn)生大量有害氣體。為了有效改善目前修補(bǔ)材料的性能，增加修補(bǔ)材料新品種，我們研制了溶膠結(jié)合耐火材料。試驗(yàn)所用主要原料為致密剛玉澆注料(w(Al₂O₃)≥98.6%)，莫來(lái)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(jié)合劑用硅溶膠及復(fù)合添加劑。　

按一定的質(zhì)量比稱取各相應(yīng)的原料放入攪拌鍋中均勻，并分別添加適量的復(fù)合添加劑和結(jié)合劑。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定該材料的流動(dòng)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(shí)通過(guò)對(duì)材料現(xiàn)場(chǎng)澆注過(guò)程的分析，我們采用相應(yīng)的模擬試驗(yàn)，把攪拌好的料直接放入一定溫度的40mm×40mm×160mm模具內(nèi)振動(dòng)成型，把成型好的試樣及其模具一起放入烘箱進(jìn)行60℃×3h的烘烤后脫模，此階段相當(dāng)于材料的澆注施工中，因?yàn)椴粩噤伭蠒r(shí)，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(gè)小時(shí)直接進(jìn)行110℃烘烤，經(jīng)過(guò)約2h烘烤后，材料內(nèi)部自由水分基本完全排出(通過(guò)對(duì)試樣在110℃經(jīng)2h、4h、6h烘烤后，測(cè)得試樣的質(zhì)量在2h后變化不大，4h基本無(wú)變化)，其后就對(duì)試樣分別進(jìn)行815、1100和1400℃保溫3h的熱處理，相當(dāng)于高爐修補(bǔ)后的復(fù)風(fēng)。其理化指標(biāo)見表2。

　　表2 不同溫度熱處理后試樣常溫性能的理化指標(biāo)

按上面相同的質(zhì)量比分別采用溶膠和水泥結(jié)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(duì)試樣進(jìn)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(jìn)行815、1100和1400℃保溫3h的熱處理。其理化指標(biāo)見表3。

　　表3 不同溫度熱處理后試樣常溫性能的理化指標(biāo)

從表3的理化數(shù)據(jù)來(lái)看，溶膠結(jié)合澆注料抗折和耐壓強(qiáng)度隨熱處理溫度的升高和明顯增加，這與水泥結(jié)合澆注料相比優(yōu)點(diǎn)明顯，其主要原因是硅溶膠中納米SiO₂的反應(yīng)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(dāng)二者之間充分接觸，降低了莫來(lái)石化溫度，從試樣經(jīng)1100℃與1400℃熱處理后的理化指標(biāo)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(jié)。

通過(guò)表2與表3的理化指標(biāo)對(duì)比可知，材料在高溫狀態(tài)下成型對(duì)材料的性能影響不大，說(shuō)明該材料在保證使用性能的同時(shí)，在短暫的休風(fēng)時(shí)的高溫條件下對(duì)高爐進(jìn)行及時(shí)有效的修補(bǔ)，防止高爐事故惡化，有效的提高了高爐的高效與長(zhǎng)壽，為鋼廠爭(zhēng)取更高的經(jīng)濟(jì)效益。

另外我們對(duì)采用溶膠結(jié)合和水泥結(jié)合澆注料制成70mm×70mm×70mm干燥后的試樣進(jìn)行了1100℃水冷抗熱震性的對(duì)比檢測(cè)。結(jié)果表明，以水泥結(jié)合的試樣經(jīng)過(guò)100次后基本沒(méi)有出現(xiàn)裂紋。所以，硅溶膠結(jié)合試樣的抗熱震性明顯優(yōu)于水泥結(jié)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(jié)合

從圖1可以看出；在1100℃礬土水泥結(jié)合的剛玉-莫來(lái)石澆注料中，基質(zhì)基本沒(méi)形成燒結(jié)，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(dǎo)熱系數(shù)就會(huì)較低。因此，當(dāng)材料受急冷急熱變化時(shí)在材料內(nèi)部就產(chǎn)生較大的溫度梯度，材料所受的熱應(yīng)力也就越大，經(jīng)過(guò)多次熱震循環(huán)，材料基質(zhì)較易因熱應(yīng)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(yīng)力集中，由于材料又沒(méi)有形成較好的燒結(jié)，裂紋較易擴(kuò)展，最終導(dǎo)致材料的開裂。所以，水泥結(jié)合的剛玉-莫來(lái)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(duì)比溶膠結(jié)合澆注料具有良好的抗熱震穩(wěn)定性原因是：(1)溶膠結(jié)合材料的體積穩(wěn)定性極好，因此材料在急冷急熱時(shí)材料內(nèi)部不易產(chǎn)生過(guò)大的形變而產(chǎn)生應(yīng)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(jié)溫度，因此在1100℃熱處理下材料較易形成莫來(lái)石化燒結(jié)反應(yīng)，形成有效燒結(jié)，材料內(nèi)部產(chǎn)生良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)材料內(nèi)部不同結(jié)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(jié)構(gòu)及其產(chǎn)生微裂紋不僅能吸收材料的彈性應(yīng)變能，使驅(qū)動(dòng)主裂紋擴(kuò)展的能量較低，都能有效的阻止裂紋的擴(kuò)展，因此該硅溶膠結(jié)合澆注料試樣經(jīng)過(guò)100次熱震循環(huán)后基本沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，對(duì)熱震后的試塊進(jìn)行了110℃×24h烘干，其耐壓強(qiáng)度在100MPa以上，耐壓保持率高達(dá)近80%(熱震100后的耐壓強(qiáng)度與熱震前耐壓強(qiáng)度的比值×100%)。