硅溶胶在不定形耐火材料中的应用

发布时间：2022/4/28 11:24:35

硅溶胶又称硅酸溶胶，分子式为SiO?·xH?O，是一种硅酸多分子聚合物形成的胶体溶液，聚合物的微粒通常在7~20nm，如果使用特殊加工工艺也可以制得更大粒径的硅溶胶。硅溶胶聚合物微粒不但能在水中分散，也可以在有机溶剂中分散。硅溶胶的失水温度范围宽，失水不仅不会破坏其结合强度，还会使其三维结构更加稳定，产生更高的结合强度。

硅溶胶做耐火材料结合剂时，烧结后可赋予材料陶瓷凝聚结合，这克服了水泥结合耐火材料中温强度偏低的致命弱点。硅溶胶作为耐火浇注料结合剂的原理是基于溶胶-凝胶技术，硅溶胶分布于耐火材料颗粒表面，在颗粒周围形成凝胶，在此过程中颗粒表面上的羟基凝固脱除水分，形成Si-O-Si结合，使耐火材料在施工养护过程中产生强度。施工体干燥后，凝胶把骨料结合在一起形成骨架，提供强度。

1、硅溶胶在压入泥浆中的应用

为了追求高炉炼铁的高效化与长寿化，压入泥浆在我国高炉炉体快速修补技术中已经得到推广应用。但目前应用较为广泛的是采用有机树脂及焦油作结合剂的压入泥浆，这类泥浆很难固化，受热时还产生大量苯并芘类有害气体，且材料收缩较大，体积稳定性差。

因此，近几年开始选用硅溶胶作为压入料的结合剂。经过试验研究证实：硅溶胶结合的压入泥浆经1200℃*3h高温处理后的收缩率远小于树脂结合压入泥浆的。而且110℃干燥后的硅溶胶结合压入泥浆试样在经过近100次的1100℃水冷热震试验后，基本没有出现裂纹，此时的耐压强度超过80MPa，热展后强度保持率超过80%。这主要是因为硅溶胶中纳米SiO?在压入泥浆的基质中产生莫来石化反应，提高了材料的抗热震性。

而树脂结合压入泥浆试样经过10次左右的热震后就完全开裂了，这是由于这类压入泥浆在1100℃时基质尚未形成陶瓷结合,而在低温下能产生结合强度的树脂在加热到I100℃时已经被烧掉，并且在烧失过程中形成气体而使材料内部结构呈疏松状，导致材料结合强度下降，当材料受急冷急热变化时，材料内部产生的热应力超过材料自身的结合强度，就产生了开裂或剥落。

由此证实，硅溶胶结合的压入料在性能上要比树脂结合的好得多。而且硅溶胶结合的压入料从生产、施工到应用，对环境没有污染，对施工工人的身体健康没有危害，所以硅溶胶结合的压入泥浆是一种环保型材料。这种硅溶胶结合压入料已成功应用于钢厂高炉的炉壁和高炉和热风炉围管的维修。实际应用结果表明，硅溶胶结合的压入料不仅具有较好的施工性能和使用性能，而且还是一种无污染的环保型压入泥浆。

2、硅溶胶在铝碳化硅质浇注料中的应用

宝钢曾提出了“铁水连续处理”的概念，在出铁沟内连续进行脱硫脱磷和脱硅“三脱"处理，从而使铁水预处理工艺更加高效、简约、节能。但是，“三脱"使用的材料及反应后所形成的炉渣对耐火材料产生强烈的侵蚀作用，造成材料损毁过快，严重影响了材料的使用寿命。因此，提高出铁场系统用Al?O?-SiC质材料的抗侵蚀性能就尤为重要。

与水泥结合的浇注料相比，硅溶胶结合的浇注料具有更优异的物理性能和高温性能，特别是其体积稳定性好，抗爆裂、抗剥落,可以在相对较高的温度下施工，可以快速烘烤及投入使用，缩短了施工周期，提高了生产效率。这主要是因为硅溶胶结合剂中存在气孔，提高了材料的透气性，所以可以在较高的温度下施工及快速干燥。与水泥结合Al?O?-SiC质浇注料相比，其养护和干燥、烘烤时间可缩短一半以上。

硅溶胶用于Al?O?-SiC质浇注料中,可明显提高耐火材料的抗渣侵蚀性能。使用硅溶胶取代纯铝酸钙水泥作结合剂，可增强Al?O?-SiC浇注料在热处理后的抗折强度和耐压强度，并且硅溶胶的加入有利于降低SiAION相的生成温度，并形成性能良好的β-SiAION相，从而提高了浇注料的强度。

从浇注料的使用效果来看，硅溶胶结合的Al?O?-SiC质浇注料在高炉出铁沟、鱼雷罐、混铁炉、铁水包等炼铁领域高温窑炉中都得到应用,其施工性能和耐用性均好于非溶胶结合的同类浇注料。2014年，硅溶胶结合Al?O?-SiC-C浇注料在某钢厂5250m?高炉出铁沟上应用，一次通铁量超过25万t,比原来使用非硅溶胶结合Al?O?-SiC-C质浇注料的20万t通铁量相比提高了25%。

3、硅溶胶在刚玉莫来石质浇注料中的应用

目前，加热炉、均热炉、点火炉等窑炉内衬多采用低水泥高铝浇注料。水泥结合的高铝浇注料在施工时般需要2天左右的养护期和拆模时间以及一周以上的烘炉时间。该材料在使用时因为水泥中含CaO，在高温下CaO会与材料中的Al?O?和SiO?反应形成钙铝黄长石等低熔物，导致材料荷重软化温度降低，抗热震性变差，从而降低了炉衬的使用寿命。

由于硅溶胶是一种纳米氧化硅胶体，比表面积、吸附性较强，并且在水中发生电离作用使胶粒带有相同的负电荷，导致颗粒间产生排斥作用，这特性使采用硅溶胶为结合剂的浇注料具有优良的流动性能。热处理后，胶体粒子以化学键Si-O-Si结合，形成稳定的空间网络结构，同时硅溶胶覆盖在固体颗粒表面，能形成牢固的硅胶薄膜，从而增强材料的粘结、固化和结合强度。

因此，以硅溶胶为结合剂的浇注料在中低温时都具有较高的结合强度，满足了工业炉衬施工要求；而且在高温下材料内部能形成陶瓷结合，即硅溶胶中的高活性SiO?很容易与原料中的Al?O?反应，在基质中形成针状、柱状莫来石而产生较高的结合强度。另外，由于针状和柱状莫来石品体的交错分布，形成了相互交织的网状结构，可提高浇注料的强度、韧性及抗热震性能。

硅溶胶结合的刚玉-莫来石浇注料在2010年初开始在国内数座大型钢厂加热炉上使用，取得了比以往使用纯铝酸盐水泥结合浇注料更好的施工和使用效果。2010年初，在某厂加热炉施工时，炉内温度偏低，施工的炉墙厚度超过300mm，炉顶厚度超过400mm，按经验这样的条件至少要养护48h才可以拆除模具，但因为使用的硅溶胶结合浇注料，施工后强度提升较快，仅养护12h即拆模，拆模后立即实行煤气烘炉，整个施工与烘烤过程比原来的时间减少一半，浇注料使用正常，目前加热炉还在使用中。

硅溶胶结合的刚玉莫来石浇注料还用于钢包层工作衬，在某大型钢厂300t钢包上，硅溶胶结合刚玉莫来石浇注料的使用寿命超过1500炉，比原来水泥结合浇注料使用1000炉的寿命提高了50%。这主要是硅溶胶结合的刚玉莫来石浇注料，具有良好的物理性能和高温性能，其使用寿命必定会超越目前常规水泥结合的浇注料炉衬。

4、硅溶胶在刚玉质浇注料中的应用

高纯刚玉质浇注料具有优良的抗渣性、抗渗透性和耐剥落性，被广泛应用于钢包、电炉顶、水泥窑等使用环境非常苛刻的部位。刚玉质耐火浇注料常采用高纯铝酸钙水泥作为结合剂，有时复合铝微粉或SiO?微粉作为复合结合剂。在SiO?和CaO同时存在的条件下，耐火材料内部在1400-1500℃时会形成钙黄长石等低熔点物质，以致影响材料的高温使用性能。

研究表明：使用硅溶胶作为刚玉浇注料的结合剂时，随着硅溶胶含量的增加，浇注料的流动值增大，硅溶胶加入7%(w)时浇注料已具有较好的流动性能；以硅溶胶为结合剂的刚玉浇注料在1400℃下的热态抗折强度高于以水泥为结合剂的。这主要是因为水泥结合试样因CaO的引入在高温下和体系中SiO?等杂质反应形成了低熔点相；而硅溶胶结合浇注料试样因体系内不含CaO，高温下不仅不会产生低熔点相物质，而且还形成少量高熔点的莫来石相，提高了其热态强度。

目前，硅溶胶结合的刚玉耐火浇注料已经在加热炉的水冷管、边缘砖、烧嘴砖、均热炉的炉口，精炼炉炉盖以及工频感应炉、大中型超高功率电炉盖三角区和LF精炼钢包盖等部位以及钢包底座砖周围、工作层等部位广泛使用。

5、硅溶胶在轻质保温浇注料中的应用

轻质保温浇注料减少了热工窑炉工作时的热量损失，提高了热工窑炉的效率，为节能降耗做出了贡献。氧化铝空心球浇注料具有耐高温、保温性能好、强度高、抗热震性好、高温体积稳定性好等性能优势，可直接用于高温窑炉的工作衬。但由于氧化铝空心球的骨料颗粒呈圆球形，颗粒之间为点结合，不能形成具有网络交错、相互镶嵌的高强结构，颗粒之间的结合力极差，抗剥落性也较差，因此限制了其使用范围。

而使用硅溶胶作结合剂的氧化铝空心球浇注料，利用硅溶胶中纳米SiO?与浇注料中Al?O? 在高温下反应而在基质中形成的具有网状结构的莫来石晶体，克服了水泥结合氧化铝空心球浇注料之间结合能力差的缺点，使浇注料不但具有良好的耐高温性能,还具有较好的常温、高温强度，良好的抗热震性和体积稳定性，从而具有优异的使用性能。

山东某钢厂为了提高钢包盖的保温性能和使用寿命，曾采用水泥结合刚玉空心球浇注料，但在使用过程中出现大块剥落，严重影响了包盖的使用效果。当水泥结合替换为硅溶胶结合时，使用结果表明该浇注料施工性能良好，使用过程无明显的剥落掉块现象。根据使用结果统计，在钢包包盖上硅溶胶结合刚玉空心球浇注料的使用寿命是水泥结合浇注料的2倍多。

6、结语

硅溶胶结合的不定形耐火材料施工性能好，实现了快速养护、脱模，节省了施工时间，提高了施工效率；硅溶胶结合的浇注料具有良好的抗爆裂性能，体积稳定性和抗热震性能好，可实现浇注料的快速烘干，节省了时间，也省了烘烤所需的能源；硅溶胶结合的耐火材料具有良好的结合强度，优异的抗渣侵蚀性能，因此具有良好的使用性能。

文章源：

高风云, 张东景. 硅溶胶在不定形耐火材料中的应用[C]// 耐火材料综合学术年会. 2015.