耐火澆注料
矽溶膠在不定形耐火材料中的應用
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矽溶膠在不定形耐火材料中的應用

發布時間:2022/4/28 11:24:35
矽溶膠又稱矽酸溶膠,分子式為SiO?·xH?O,是一種矽酸多分子聚合物形成的膠體溶液,聚合物的微粒通常在7~20nm,如果使用特殊加工工藝也可以製得更大粒徑的矽溶膠。矽溶膠聚合物微粒不但能在水中分散,也可以在有機溶劑中分散。矽溶膠的失水溫度範圍寬,失水不僅不會破壞其結合強度,還會使其三維結構更加穩定,產生更高的結合強度。



矽溶膠做耐火材料結合劑時,燒結後可賦予材料陶瓷凝聚結合,這克服了水泥結合耐火材料中溫強度偏低的致命弱點。矽溶膠作為耐火澆注料結合劑的原理是基於溶膠-凝膠技術,矽溶膠分布於耐火材料顆粒表麵,在顆粒周圍形成凝膠,在此過程中顆粒表麵上的羥基凝固脫除水分,形成Si-O-Si結合,使耐火材料在施工養護過程中產生強度。施工體幹燥後,凝膠把骨料結合在一起形成骨架,提供強度。

1、矽溶膠在壓入泥漿中的應用
為了追求高爐煉鐵的高效化與長壽化,壓入泥漿在我國高爐爐體快速修補技術中已經得到推廣應用。但目前應用較為廣泛的是采用有機樹脂及焦油作結合劑的壓入泥漿,這類泥漿很難固化,受熱時還產生大量苯並芘類有害氣體,且材料收縮較大,體積穩定性差。
因此,近幾年開始選用矽溶膠作為壓入料的結合劑。經過試驗研究證實:矽溶膠結合的壓入泥漿經1200℃*3h高溫處理後的收縮率遠小於樹脂結合壓入泥漿的。而且110℃幹燥後的矽溶膠結合壓入泥漿試樣在經過近100次的1100℃水冷熱震試驗後,基本沒有出現裂紋,此時的耐壓強度超過80MPa,熱展後強度保持率超過80%。這主要是因為矽溶膠中納米SiO?在壓入泥漿的基質中產生莫來石化反應,提高了材料的抗熱震性。

而樹脂結合壓入泥漿試樣經過10次左右的熱震後就完全開裂了,這是由於這類壓入泥漿在1100℃時基質尚未形成陶瓷結合,而在低溫下能產生結合強度的樹脂在加熱到I100℃時已經被燒掉,並且在燒失過程中形成氣體而使材料內部結構呈疏鬆狀,導致材料結合強度下降,當材料受急冷急熱變化時,材料內部產生的熱應力超過材料自身的結合強度,就產生了開裂或剝落。
由此證實,矽溶膠結合的壓入料在性能上要比樹脂結合的好得多。而且矽溶膠結合的壓入料從生產、施工到應用,對環境沒有汙染,對施工工人的身體健康沒有危害,所以矽溶膠結合的壓入泥漿是一種環保型材料。這種矽溶膠結合壓入料已成功應用於鋼廠高爐的爐壁和高爐和熱風爐圍管的維修。實際應用結果表明,矽溶膠結合的壓入料不僅具有較好的施工性能和使用性能,而且還是一種無汙染的環保型壓入泥漿。

2、矽溶膠在鋁碳化矽質澆注料中的應用
寶鋼曾提出了“鐵水連續處理”的概念,在出鐵溝內連續進行脫硫脫磷和脫矽“三脫"處理,從而使鐵水預處理工藝更加高效、簡約、節能。但是,“三脫"使用的材料及反應後所形成的爐渣對耐火材料產生強烈的侵蝕作用,造成材料損毀過快,嚴重影響了材料的使用壽命。因此,提高出鐵場係統用Al?O?-SiC質材料的抗侵蝕性能就尤為重要。
與水泥結合的澆注料相比,矽溶膠結合的澆注料具有更優異的物理性能和高溫性能,特別是其體積穩定性好,抗爆裂、抗剝落,可以在相對較高的溫度下施工,可以快速烘烤及投入使用,縮短了施工周期,提高了生產效率。這主要是因為矽溶膠結合劑中存在氣孔,提高了材料的透氣性,所以可以在較高的溫度下施工及快速幹燥。與水泥結合Al?O?-SiC質澆注料相比,其養護和幹燥、烘烤時間可縮短一半以上。
矽溶膠用於Al?O?-SiC質澆注料中,可明顯提高耐火材料的抗渣侵蝕性能。使用矽溶膠取代純鋁酸鈣水泥作結合劑,可增強Al?O?-SiC澆注料在熱處理後的抗折強度和耐壓強度,並且矽溶膠的加入有利於降低SiAION相的生成溫度,並形成性能良好的β-SiAION相,從而提高了澆注料的強度。
從澆注料的使用效果來看,矽溶膠結合的Al?O?-SiC質澆注料在高爐出鐵溝、魚雷罐、混鐵爐、鐵水包等煉鐵領域高溫窯爐中都得到應用,其施工性能和耐用性均好於非溶膠結合的同類澆注料。2014年,矽溶膠結合Al?O?-SiC-C澆注料在某鋼廠5250m?高爐出鐵溝上應用,一次通鐵量超過25萬t,比原來使用非矽溶膠結合Al?O?-SiC-C質澆注料的20萬t通鐵量相比提高了25%。

3、矽溶膠在剛玉莫來石質澆注料中的應用
目前,加熱爐、均熱爐、點火爐等窯爐內襯多采用低水泥高鋁澆注料。水泥結合的高鋁澆注料在施工時般需要2天左右的養護期和拆模時間以及一周以上的烘爐時間。該材料在使用時因為水泥中含CaO,在高溫下CaO會與材料中的Al?O?和SiO?反應形成鈣鋁黃長石等低熔物,導致材料荷重軟化溫度降低,抗熱震性變差,從而降低了爐襯的使用壽命。
由於矽溶膠是一種納米氧化矽膠體,比表麵積、吸附性較強,並且在水中發生電離作用使膠粒帶有相同的負電荷,導致顆粒間產生排斥作用,這特性使采用矽溶膠為結合劑的澆注料具有優良的流動性能。熱處理後,膠體粒子以化學鍵Si-O-Si結合,形成穩定的空間網絡結構,同時矽溶膠覆蓋在固體顆粒表麵,能形成牢固的矽膠薄膜,從而增強材料的粘結、固化和結合強度。
因此,以矽溶膠為結合劑的澆注料在中低溫時都具有較高的結合強度,滿足了工業爐襯施工要求;而且在高溫下材料內部能形成陶瓷結合,即矽溶膠中的高活性SiO?很容易與原料中的Al?O?反應,在基質中形成針狀、柱狀莫來石而產生較高的結合強度。另外,由於針狀和柱狀莫來石品體的交錯分布,形成了相互交織的網狀結構,可提高澆注料的強度、韌性及抗熱震性能。

矽溶膠結合的剛玉-莫來石澆注料在2010年初開始在國內數座大型鋼廠加熱爐上使用,取得了比以往使用純鋁酸鹽水泥結合澆注料更好的施工和使用效果。2010年初,在某廠加熱爐施工時,爐內溫度偏低,施工的爐牆厚度超過300mm,爐頂厚度超過400mm,按經驗這樣的條件至少要養護48h才可以拆除模具,但因為使用的矽溶膠結合澆注料,施工後強度提升較快,僅養護12h即拆模,拆模後立即實行煤氣烘爐,整個施工與烘烤過程比原來的時間減少一半,澆注料使用正常,目前加熱爐還在使用中。
矽溶膠結合的剛玉莫來石澆注料還用於鋼包永久層工作襯,在某大型鋼廠300t鋼包上,矽溶膠結合剛玉莫來石澆注料的使用壽命超過1500爐,比原來水泥結合澆注料使用1000爐的壽命提高了50%。這主要是矽溶膠結合的剛玉莫來石澆注料,具有良好的物理性能和高溫性能,其使用壽命必定會超越目前常規水泥結合的澆注料爐襯。

4、矽溶膠在剛玉質澆注料中的應用
高純剛玉質澆注料具有優良的抗渣性、抗滲透性和耐剝落性,被廣泛應用於鋼包、電爐頂、水泥窯等使用環境非常苛刻的部位。剛玉質耐火澆注料常采用高純鋁酸鈣水泥作為結合劑,有時複合鋁微粉或SiO?微粉作為複合結合劑。在SiO?和CaO同時存在的條件下,耐火材料內部在1400-1500℃時會形成鈣黃長石等低熔點物質,以致影響材料的高溫使用性能。
研究表明:使用矽溶膠作為剛玉澆注料的結合劑時,隨著矽溶膠含量的增加,澆注料的流動值增大,矽溶膠加入7%(w)時澆注料已具有較好的流動性能;以矽溶膠為結合劑的剛玉澆注料在1400℃下的熱態抗折強度高於以水泥為結合劑的。這主要是因為水泥結合試樣因CaO的引入在高溫下和體係中SiO?等雜質反應形成了低熔點相;而矽溶膠結合澆注料試樣因體係內不含CaO,高溫下不僅不會產生低熔點相物質,而且還形成少量高熔點的莫來石相,提高了其熱態強度。
目前,矽溶膠結合的剛玉耐火澆注料已經在加熱爐的水冷管、邊緣磚、燒嘴磚、均熱爐的爐口,精煉爐爐蓋以及工頻感應爐、大中型超高功率電爐蓋三角區和LF精煉鋼包蓋等部位以及鋼包底座磚周圍、工作層等部位廣泛使用。

5、矽溶膠在輕質保溫澆注料中的應用
輕質保溫澆注料減少了熱工窯爐工作時的熱量損失,提高了熱工窯爐的效率,為節能降耗做出了貢獻。氧化鋁空心球澆注料具有耐高溫、保溫性能好、強度高、抗熱震性好、高溫體積穩定性好等性能優勢,可直接用於高溫窯爐的工作襯。但由於氧化鋁空心球的骨料顆粒呈圓球形,顆粒之間為點結合,不能形成具有網絡交錯、相互鑲嵌的高強結構,顆粒之間的結合力極差,抗剝落性也較差,因此限製了其使用範圍。

而使用矽溶膠作結合劑的氧化鋁空心球澆注料,利用矽溶膠中納米SiO?與澆注料中Al?O? 在高溫下反應而在基質中形成的具有網狀結構的莫來石晶體,克服了水泥結合氧化鋁空心球澆注料之間結合能力差的缺點,使澆注料不但具有良好的耐高溫性能,還具有較好的常溫、高溫強度,良好的抗熱震性和體積穩定性,從而具有優異的使用性能。
山東某鋼廠為了提高鋼包蓋的保溫性能和使用壽命,曾采用水泥結合剛玉空心球澆注料,但在使用過程中出現大塊剝落,嚴重影響了包蓋的使用效果。當水泥結合替換為矽溶膠結合時,使用結果表明該澆注料施工性能良好,使用過程無明顯的剝落掉塊現象。根據使用結果統計,在鋼包包蓋上矽溶膠結合剛玉空心球澆注料的使用壽命是水泥結合澆注料的2倍多。
6、結語
矽溶膠結合的不定形耐火材料施工性能好,實現了快速養護、脫模,節省了施工時間,提高了施工效率;矽溶膠結合的澆注料具有良好的抗爆裂性能,體積穩定性和抗熱震性能好,可實現澆注料的快速烘幹,節省了時間,也省了烘烤所需的能源;矽溶膠結合的耐火材料具有良好的結合強度,優異的抗渣侵蝕性能,因此具有良好的使用性能。

文章源:
高風雲, 張東景. 矽溶膠在不定形耐火材料中的應用[C]// 耐火材料綜合學術年會. 2015.
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