煉鋼廠所用澆注料大多數(shù)為水泥及低水泥結合高鋁澆注料。這些澆注料成型固化后一般還需養(yǎng)護2~3d，拆模后一般還需烘爐7d。為了追求高爐的高效化與長壽化，需要對爐體進行熱態(tài)修補，這是水泥、樹脂和焦油結合材料都無法滿足的，因為水泥結合材料需要足夠的水分和養(yǎng)護時間才能有良好的使用性能，而樹脂和焦油結合材料在熱態(tài)施工過程中產(chǎn)生有害氣體。為此，以硅溶膠為結合劑研制了高爐熱態(tài)修補用剛玉—莫來石快干澆注料。
1 性能檢測
1.1 試樣制備及性能檢測方法
1.2 研制硅溶膠結合剛玉-莫來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%的合成莫來石骨料(粒度均≤0.043mm)，以及α—Al2O3微粉、硅溶膠結合劑、復合添加劑。原料的化學組成見表1。
表1 原料的化學組成
研制澆注料配料組成w為：致密剛玉30%，莫來石30%，剛玉粉10%，α-Al2O3微粉6%，礬土粉19%，復合添加劑5%，硅溶液10%，(外加)。
按上述配料組成配制一定量的試驗料，攪拌均勻后按常規(guī)方法振動澆注成40mm×40mm×160mm和70mm×70mm×70mm的試樣(通過調(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檢測其體積密度、加熱永久線變化、常溫抗折強度和常溫耐壓強度。對常溫澆注成型、110°C干燥后的70 mmX70mmX70mm的試樣，按GB/T 17617—1998進行抗熱震試驗(1100 °C，水冷)，并與礬土水泥結合剛玉質(zhì)澆注料試樣進行對比。對部分試樣進行顯微結構和能譜分析。
1.2結果與討論
1.2.1常溫成型試樣的性能
常溫下澆注成型的硅溶膠結合剛玉-莫來石澆注料試樣經(jīng)不同溫度熱處理后的性能見表2。可以看出：烘干后試樣的常溫抗折強度和常溫耐壓強度與普通低水泥高鋁澆注料的相當;815℃熱處理后試樣的常溫抗折強度和常溫耐壓強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。當硅溶膠在固化劑作用下發(fā)生膠凝時，納米Si02粒子表面的硅烷醇基團發(fā)生聚合反應;在隨后的干燥失水過程中，Si02粒子進一步發(fā)生聚合，將基質(zhì)細粉和微粉顆粒牢固地結合在一起。因此，硅溶膠結合剛玉-莫來石澆注料試樣具有較高的烘干強度。
由于來自硅溶膠中的SiO2的反應活性極高，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)生反應的溫度，使材料在較低的溫度下就發(fā)生燒結，從而使材料在中溫處理后的強度比烘干后的大，而不像水泥結合澆注料那樣中溫處理后因水泥水化物的分解其強度反而下降。1400℃熱處理后試樣的性能指標與1100℃熱處理后的差別不大，表明試樣在1100℃已形成較好的燒結。
抗熱震試驗發(fā)現(xiàn)：常溫澆注成型的硅溶膠結合剛玉-莫來石試樣熱震循環(huán)(1100 °C，水冷)100次后基本上沒有出現(xiàn)裂紋，熱震后試樣在110℃烘干24h后其常溫耐壓強度在100 MPa以上，耐壓強度損失率僅為18.7% ;而礬土水泥結合剛玉質(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合剛玉-莫來石試樣經(jīng)不同溫度熱處理后的性能見表3。對比表2可知，熱態(tài)成型及直接烘烤對材料的性能影響不大，表明硅溶膠結合剛玉-莫來石澆注料應該能夠用于高爐熱態(tài)修補。
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顯微結構
常溫澆注成型的硅溶膠結合剛玉-莫來石澆注料試樣和礬土水泥結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℃處理后礬土水泥結合剛玉質(zhì)澆注料和硅溶膠結
合剛玉-莫來石澆注料的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，礬土水泥結合剛玉澆注料的基質(zhì)基本上沒有燒結，晶粒孤立存在，氣孔較大;而硅溶膠結合剛玉-莫來石澆注料燒結較好。對硅溶膠結合剛玉-莫來石澆注料氣孔周圍的微小晶粒作進_步觀察和能譜分析(見圖2)后發(fā)現(xiàn)，它們是莫來石，表明材料在1100℃熱處理過程中形成了莫來石。
圖2 氣孔周圍微小晶粒的顯微結構及能譜分析
Fig. 2 Microstructure and EDS analysis of micro-crystal around pores
3結語
（1）硅溶膠結合剛玉-莫來石澆注料具有較高的烘干后強度和中高溫處理后強度，具有良好的抗熱震性。
（2）在實際應用中，該澆注料的脫模時間和烘爐時間大大縮短，可以熱態(tài)澆注，并且具有良好的使用性能。