硅溶膠在不定形耐火材料中的應(yīng)用 | 技術(shù)前沿

硅溶膠又稱硅酸溶膠,分子式為SiO?·xH?O,是一種硅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制得更大粒徑的硅溶膠。硅溶膠聚合物微粒不但能在水中分散,也可以在有機(jī)溶劑中分散。硅溶膠的失水溫度范圍寬,失水不僅不會(huì)破壞其結(jié)合強(qiáng)度,還會(huì)使其三維結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,產(chǎn)生更高的結(jié)合強(qiáng)度。

硅溶膠做耐火材料結(jié)合劑時(shí),燒結(jié)后可賦予材料陶瓷凝聚結(jié)合,這克服了水泥結(jié)合耐火材料中溫強(qiáng)度偏低的致命弱點(diǎn)。硅溶膠作為耐火澆注料結(jié)合劑的原理是基于溶膠-凝膠技術(shù),硅溶膠分布于耐火材料顆粒表面,在顆粒周圍形成凝膠,在此過(guò)程中顆粒表面上的羥基凝固脫除水分,形成Si-O-Si結(jié)合,使耐火材料在施工養(yǎng)護(hù)過(guò)程中產(chǎn)生強(qiáng)度。施工體干燥后,凝膠把骨料結(jié)合在一起形成骨架,提供強(qiáng)度。

1、硅溶膠在壓入泥漿中的應(yīng)用

為了追求高爐煉鐵的長(zhǎng)壽化,壓入泥漿在我國(guó)高爐爐體快速修補(bǔ)技術(shù)中已經(jīng)得到推廣應(yīng)用。但目前應(yīng)用較為廣泛的是采用有機(jī)樹(shù)脂及焦油作結(jié)合劑的壓入泥漿,這類泥漿很難固化,受熱時(shí)還產(chǎn)生大量苯并芘類有害氣體,且材料收縮較大,體積穩(wěn)定性差。

因此,近幾年開(kāi)始選用硅溶膠作為壓入料的結(jié)合劑。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究證實(shí):硅溶膠結(jié)合的壓入泥漿經(jīng)1200℃*3h高溫處理后的收縮率遠(yuǎn)小于樹(shù)脂結(jié)合壓入泥漿的。而且110℃干燥后的硅溶膠結(jié)合壓入泥漿試樣在經(jīng)過(guò)近100次的1100℃水冷熱震試驗(yàn)后,基本沒(méi)有出現(xiàn)裂紋,此時(shí)的耐壓強(qiáng)度超過(guò)80MPa,熱展后強(qiáng)度保持率超過(guò)80%。這主要是因?yàn)楣枞苣z中納米SiO?在壓入泥漿的基質(zhì)中產(chǎn)生莫來(lái)石化反應(yīng),提高了材料的抗熱震性。

而樹(shù)脂結(jié)合壓入泥漿試樣經(jīng)過(guò)10次左右的熱震后就完全開(kāi)裂了,這是由于這類壓入泥漿在1100℃時(shí)基質(zhì)尚未形成陶瓷結(jié)合,而在低溫下能產(chǎn)生結(jié)合強(qiáng)度的樹(shù)脂在加熱到I100℃時(shí)已經(jīng)被燒掉,并且在燒失過(guò)程中形成氣體而使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈疏松狀,導(dǎo)致材料結(jié)合強(qiáng)度下降,當(dāng)材料受急冷急熱變化時(shí),材料內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力超過(guò)材料自身的結(jié)合強(qiáng)度,就產(chǎn)生了開(kāi)裂或剝落。

由此證實(shí),硅溶膠結(jié)合的壓入料在性能上要比樹(shù)脂結(jié)合的好得多。而且硅溶膠結(jié)合的壓入料從生產(chǎn)、施工到應(yīng)用,對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染,對(duì)施工工人的身體健康沒(méi)有危害,所以硅溶膠結(jié)合的壓入泥漿是一種環(huán)保型材料。這種硅溶膠結(jié)合壓入料已成功應(yīng)用于鋼廠高爐的爐壁和高爐和熱風(fēng)爐圍管的維修。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明,硅溶膠結(jié)合的壓入料不僅具有較好的施工性能和使用性能,而且還是一種環(huán)保型壓入泥漿。

2、硅溶膠在鋁碳化硅質(zhì)澆注料中的應(yīng)用

寶鋼曾提出了“鐵水連續(xù)處理”的概念,在出鐵溝內(nèi)連續(xù)進(jìn)行脫硫脫磷和脫硅“三脫”處理,從而使鐵水預(yù)處理工藝更加簡(jiǎn)約、節(jié)能。但是,“三脫”使用的材料及反應(yīng)后所形成的爐渣對(duì)耐火材料產(chǎn)生強(qiáng)烈的侵蝕作用,造成材料損毀過(guò)快,嚴(yán)重影響了材料的使用壽命。因此,提高出鐵場(chǎng)系統(tǒng)用Al?O?-SiC質(zhì)材料的抗侵蝕性能就尤為重要。

與水泥結(jié)合的澆注料相比,硅溶膠結(jié)合的澆注料具有更優(yōu)異的物理性能和高溫性能,特別是其體積穩(wěn)定性好,抗爆裂、抗剝落,可以在相對(duì)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(chǎn)效率。這主要是因?yàn)楣枞苣z結(jié)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干燥。與水泥結(jié)合Al?O?-SiC質(zhì)澆注料相比,其養(yǎng)護(hù)和干燥、烘烤時(shí)間可縮短一半以上。

硅溶膠用于Al?O?-SiC質(zhì)澆注料中,可明顯提高耐火材料的抗渣侵蝕性能。使用硅溶膠取代純鋁酸鈣水泥作結(jié)合劑,可增強(qiáng)Al?O?-SiC澆注料在熱處理后的抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度,并且硅溶膠的加入有利于降低SiAION相的生成溫度,并形成性能良好的β-SiAION相,從而提高了澆注料的強(qiáng)度。

從澆注料的使用效果來(lái)看,硅溶膠結(jié)合的Al?O?-SiC質(zhì)澆注料在高爐出鐵溝、魚(yú)雷罐、混鐵爐、鐵水包等煉鐵領(lǐng)域高溫窯爐中都得到應(yīng)用,其施工性能和耐用性均好于非溶膠結(jié)合的同類澆注料。2014年,硅溶膠結(jié)合Al?O?-SiC-C澆注料在某鋼廠5250m3高爐出鐵溝上應(yīng)用,一次通鐵量超過(guò)25萬(wàn)t,比原來(lái)使用非硅溶膠結(jié)合Al?O?-SiC-C質(zhì)澆注料的20萬(wàn)t通鐵量相比提高了25%。

3、硅溶膠在剛玉莫來(lái)石質(zhì)澆注料中的應(yīng)用

目前,加熱爐、均熱爐、點(diǎn)火爐等窯爐內(nèi)襯多采用低水泥高鋁澆注料。水泥結(jié)合的高鋁澆注料在施工時(shí)般需要2天左右的養(yǎng)護(hù)期和拆模時(shí)間以及一周以上的烘爐時(shí)間。該材料在使用時(shí)因?yàn)樗嘀泻珻aO,在高溫下CaO會(huì)與材料中的Al?O?和SiO?反應(yīng)形成鈣鋁黃長(zhǎng)石等低熔物,導(dǎo)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。

由于硅溶膠是一種納米氧化硅膠體,比表面積、吸附性較強(qiáng),并且在水中發(fā)生電離作用使膠粒帶有相同的負(fù)電荷,導(dǎo)致顆粒間產(chǎn)生排斥作用,這特性使采用硅溶膠為結(jié)合劑的澆注料具有優(yōu)良的流動(dòng)性能。熱處理后,膠體粒子以化學(xué)鍵Si-O-Si結(jié)合,形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),同時(shí)硅溶膠覆蓋在固體顆粒表面,能形成牢固的硅膠薄膜,從而增強(qiáng)材料的粘結(jié)、固化和結(jié)合強(qiáng)度。

因此,以硅溶膠為結(jié)合劑的澆注料在中低溫時(shí)都具有較高的結(jié)合強(qiáng)度,滿足了工業(yè)爐襯施工要求;而且在高溫下材料內(nèi)部能形成陶瓷結(jié)合,即硅溶膠中的SiO?很容易與原料中的Al?O?反應(yīng),在基質(zhì)中形成針狀、柱狀莫來(lái)石而產(chǎn)生較高的結(jié)合強(qiáng)度。另外,由于針狀和柱狀莫來(lái)石品體的交錯(cuò)分布,形成了相互交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),可提高澆注料的強(qiáng)度、韌性及抗熱震性能。

硅溶膠結(jié)合的剛玉-莫來(lái)石澆注料在2010年初開(kāi)始在國(guó)內(nèi)數(shù)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(jié)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(shí),爐內(nèi)溫度偏低,施工的爐墻厚度超過(guò)300mm,爐頂厚度超過(guò)400mm,按經(jīng)驗(yàn)這樣的條件至少要養(yǎng)護(hù)48h才可以拆除模具,但因?yàn)槭褂玫墓枞苣z結(jié)合澆注料,施工后強(qiáng)度提升較快,僅養(yǎng)護(hù)12h即拆模,拆模后立即實(shí)行煤氣烘爐,整個(gè)施工與烘烤過(guò)程比原來(lái)的時(shí)間減少一半,澆注料使用正常,目前加熱爐還在使用中。

硅溶膠結(jié)合的剛玉莫來(lái)石澆注料還用于鋼包永久層工作襯,在某大型鋼廠300t鋼包上,硅溶膠結(jié)合剛玉莫來(lái)石澆注料的使用壽命超過(guò)1500爐,比原來(lái)水泥結(jié)合澆注料使用1000爐的壽命提高了50%。這主要是硅溶膠結(jié)合的剛玉莫來(lái)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(huì)超越目前常規(guī)水泥結(jié)合的澆注料爐襯。

4、硅溶膠在剛玉質(zhì)澆注料中的應(yīng)用

高純剛玉質(zhì)澆注料具有優(yōu)良的抗渣性、抗?jié)B透性和耐剝落性,被廣泛應(yīng)用于鋼包、電爐頂、水泥窯等使用環(huán)境非??量痰牟课?。剛玉質(zhì)耐火澆注料常采用高純鋁酸鈣水泥作為結(jié)合劑,有時(shí)復(fù)合鋁微粉或SiO?微粉作為復(fù)合結(jié)合劑。在SiO?和CaO同時(shí)存在的條件下,耐火材料內(nèi)部在1400-1500℃時(shí)會(huì)形成鈣黃長(zhǎng)石等低熔點(diǎn)物質(zhì),以致影響材料的高溫使用性能。

研究表明:使用硅溶膠作為剛玉澆注料的結(jié)合劑時(shí),隨著硅溶膠含量的增加,澆注料的流動(dòng)值增大,硅溶膠加入7%(w)時(shí)澆注料已具有較好的流動(dòng)性能;以硅溶膠為結(jié)合劑的剛玉澆注料在1400℃下的熱態(tài)抗折強(qiáng)度高于以水泥為結(jié)合劑的。這主要是因?yàn)樗嘟Y(jié)合試樣因CaO的引入在高溫下和體系中SiO?等雜質(zhì)反應(yīng)形成了低熔點(diǎn)相;而硅溶膠結(jié)合澆注料試樣因體系內(nèi)不含CaO,高溫下不僅不會(huì)產(chǎn)生低熔點(diǎn)相物質(zhì),而且還形成少量高熔點(diǎn)的莫來(lái)石相,提高了其熱態(tài)強(qiáng)度。

目前,硅溶膠結(jié)合的剛玉耐火澆注料已經(jīng)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(yīng)爐、大中型高功率電爐蓋三角區(qū)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、硅溶膠在輕質(zhì)保溫澆注料中的應(yīng)用

輕質(zhì)保溫澆注料減少了熱工窯爐工作時(shí)的熱量損失,提高了熱工窯爐的效率,為節(jié)能降耗做出了貢獻(xiàn)。氧化鋁空心球澆注料具有耐高溫、保溫性能好、強(qiáng)度高、抗熱震性好、高溫體積穩(wěn)定性好等性能優(yōu)勢(shì),可直接用于高溫窯爐的工作襯。但由于氧化鋁空心球的骨料顆粒呈圓球形,顆粒之間為點(diǎn)結(jié)合,不能形成具有網(wǎng)絡(luò)交錯(cuò)、相互鑲嵌的高強(qiáng)結(jié)構(gòu),顆粒之間的結(jié)合力差,抗剝落性也較差,因此限制了其使用范圍。

而使用硅溶膠作結(jié)合劑的氧化鋁空心球澆注料,利用硅溶膠中納米SiO?與澆注料中Al?O? 在高溫下反應(yīng)而在基質(zhì)中形成的具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的莫來(lái)石晶體,克服了水泥結(jié)合氧化鋁空心球澆注料之間結(jié)合能力差的缺點(diǎn),使?jié)沧⒘喜坏哂辛己玫哪透邷匦阅?還具有較好的常溫、高溫強(qiáng)度,良好的抗熱震性和體積穩(wěn)定性,從而具有優(yōu)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(jié)合剛玉空心球澆注料,但在使用過(guò)程中出現(xiàn)大塊剝落,嚴(yán)重影響了包蓋的使用效果。當(dāng)水泥結(jié)合替換為硅溶膠結(jié)合時(shí),使用結(jié)果表明該澆注料施工性能良好,使用過(guò)程無(wú)明顯的剝落掉塊現(xiàn)象。根據(jù)使用結(jié)果統(tǒng)計(jì),在鋼包包蓋上硅溶膠結(jié)合剛玉空心球澆注料的使用壽命是水泥結(jié)合澆注料的2倍多。

6、結(jié)語(yǔ)

硅溶膠結(jié)合的不定形耐火材料施工性能好,實(shí)現(xiàn)了快速養(yǎng)護(hù)、脫模,節(jié)省了施工時(shí)間,提高了施工效率;硅溶膠結(jié)合的澆注料具有良好的抗爆裂性能,體積穩(wěn)定性和抗熱震性能好,可實(shí)現(xiàn)澆注料的快速烘干,節(jié)省了時(shí)間,也省了烘烤所需的能源;硅溶膠結(jié)合的耐火材料具有良好的結(jié)合強(qiáng)度,優(yōu)異的抗渣侵蝕性能,因此具有良好的使用性能。

文章源:

高風(fēng)云, 張東景. 硅溶膠在不定形耐火材料中的應(yīng)用[C]// 耐火材料綜合學(xué)術(shù)年會(huì). 2015.