復合外加劑在耐火澆注料中的應用

1材料特性分析硅溶膠是一種粒徑從幾到10納米到幾十納米的多聚硅酸分散系統。溶膠顆粒的內部結構為硅氧烷（-si-o-si）網絡，表面層覆蓋著許多硅烷醇基（-sioh）和硝基（-h）。當硅溶膠與Al2O3微粉混合時,膠體粒子可吸附在Al2O3顆粒表面,形成單層飽和分布,同時填充于Al2O3顆粒間隙,因此分散性、滲透性較好。通過干燥或燒結處理,膠體粒子以化學健(Si-O-Si)相結合,形成穩定的空間網絡結構,將Al2O3顆粒牢固結合在一起,并在Al2O3顆粒表面形成納米包覆的微復合結構。同時硅溶膠覆蓋在固體表面能形成牢固的硅膠薄膜,從而增強材料的粘結、固化和成型特性。經實驗總結分析該材料具有如下特性:(1)無需養護便可快速烘烤:溶膠結合澆注料是膠體凝膠而產生結合耐火材料,溶膠凝膠受pH值影響較大,調節pH值可有效的控制材料滿足施工要求的固化時間。材料內部水化凝膠結晶,成型時產生的一些微氣孔可有效的排出材料內部快速烘烤時產生的水蒸氣;(2)良好體積穩定性及抗熱震穩定性:經大量實驗驗證,溶膠結合材料在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。很好的滿足了工業窯爐生產中對耐火材料體積穩定性的要求,同時我們對干燥后70mm×70mm×70mm的試樣進行了1100℃ue0f2水冷抗熱震性的對比測試。以水泥結合的試樣經四十幾次熱震循環就完全開裂,而溶膠結合的熱震循環100次后基本沒有出現裂紋,把經熱震100次后的試樣110℃烘干后,測試其耐壓強度,多次結果表明,溶膠結合的材料耐壓強度保持率(熱震100次后的耐壓強度與熱震前耐壓強度的比值×100%)在80%以上;(3)良好抗CO侵蝕性能:為了直接體現溶膠結合耐火澆注料的抗CO侵蝕性能的優越性,我們用傳統的水泥結合耐火澆注料與溶膠結合澆注料進行了對比,把兩種形同材質的澆注料同時放入到純CO氣氛中進行500℃的連續熱處理,其結果是:水泥結合的澆注料在經熱處理50h后試樣就破裂為兩半,100h后試樣出現一處大塊剝落,有大顆粒碳沉積,150h后出現數處裂紋,200h有大塊剝落,多處出現裂紋,表明其已受CO嚴重侵蝕。而溶膠結合的澆注料50h后試樣表面出現一處碳沉積,100h后試樣表面出現一片剝落,而150h僅有出現幾處開裂,而200h后試樣整體變黑,碳黑沉積在試樣的各個氣孔中,試樣從表面到內部僅受到嚴重的蝕損。2熱處理從“干”到“更高”的過程,其與模隨著資源節約和環境友好和諧社會發展的需要,高爐的高效與長壽是現代煉鐵所追求的目標,而有效的爐體維護是實現爐體高效與長壽的關鍵。目前我國高爐爐體快速修補技術已得到推廣應用。但是,目前使用的修補材料大多采用樹脂及焦油作結合劑,這類材料常溫難以固化,體積穩定性較差,中低溫烘烤時還產生大量有害氣體。為了有效改善目前修補材料的性能,增加修補材料新品種,我們研制了溶膠結合耐火材料。實驗所用主要原料為致密剛玉骨料(w(Al2O3)≥98.6%),莫來石骨料(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);結合劑用硅溶膠及復合添加劑。主要原料化學組成見表1。按一定的質量比稱取各相應的原料放入攪拌鍋中混勻,并分別添加適量的復合添加劑和結合劑。經實驗測定該材料的流動度為107.8%(跳桌法),能較好的滿足材料的施工性能要求。同時通過對材料現場澆注過程的分析,我們采用相應的模擬實驗,把攪拌好的料直接放入一定溫度的40mm×40mm×160mm模具內振動成型,把成型好的試樣及其模具一起放入烘箱進行60℃×3h的烘烤后脫模,此階段相當于材料的澆注施工中,因為在不斷鋪料時,材料中所含自由水分的揮發,有效的降低了材料施工環境的溫度,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小時后直接進行110℃烘烤,經過約2h烘烤后,材料內部自由水分基本完全排出(通過對試樣在110℃經2h、4h、6h烘烤后,測得試樣的質量在2h后變化不大,4h基本無變化),其后就對試樣分別進行815、1100和1400℃保溫3h的熱處理,相當于高爐修補后的復風。其理化指標見表2。按上面相同的質量比分別采用溶膠和水泥結合的攪拌均勻的材料,放入尺寸分別為40mm×40mm×160mm和70mm×70mm×70mm常溫模具內澆注成型,自然固化后脫模,對試樣進行110℃×24h的干燥,然后將該試樣于高溫成型的試樣一起分別進行815、1100和1400℃保溫3h的熱處理。其理化指標見表3。從表3的理化數據來看,溶膠結合澆注料抗折和耐壓強度隨熱處理溫度的升高而明顯增加,這與水泥結合澆注料相比優點明顯,其主要原因是硅溶膠中納米SiO2的反應活性極高,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,當二者之間充分接觸,降低了莫來石化溫度,從試樣經1100℃與1400℃熱處理后的理化指標差別不大,可知此澆注料經1100℃熱處理后已形成較好的燒結。通過表2與表3的理化指標對比可知,材料在高溫狀態下成型對材料的性能影響不大,說明該材料在保證使用性能的同時,在短暫的休風時的高溫條件下對高爐進行及時有效的修補,防止高爐事故惡化,有效的提高了高爐的高效與長壽,為鋼廠爭取更高的經濟效益。另外我們對采用溶膠結合和水泥結合澆注料制成70mm×70mm×70mm干燥后的試樣進行了1100℃水冷抗熱震性的對比檢測。結果表明,以水泥結合的試樣經過49次熱震循環就完全開裂,而溶膠結合的則在100次后基本沒有出現裂紋。所以,硅溶膠結合試樣的抗熱震性明顯優于水泥結合的。圖1為1100℃處理后試樣的SEM照片。從圖1可以看出:在1100℃礬土水泥結合的剛玉-莫來石澆注料中,基質基本沒形成燒結,大小晶粒孤立存在,相互之間存在較大的氣孔,這樣的材料其導熱系數就會較低。因此,當材料受急冷急熱變化時在材料內部就產生較大的溫度梯度,材料所受的熱應力也就較大,經過多次熱震循環,材料基質較易因熱應力循環疲勞產生裂紋,裂紋產生后,在熱震循環中易形成裂紋尖端應力集中,由于材料又沒有形成較好的燒結,裂紋較易擴展,最終導致材料的開裂。所以,水泥結合的剛玉-莫來石澆注料的抗熱震性較差,在水冷熱震循環中不到50次就已經開裂。相對比溶膠結合澆注料具有良好的抗熱震穩定性原因是:(1)溶膠結合材料的體積穩定性極好,因此材料在急冷急熱時材料內部不易產生過大的形變而產生應力集中;(2)溶膠中的活性較高的納米SiO2和α-Al2O3微粉充分接觸,大大的降低了材料的燒結溫度,因此在1100℃熱處理下材料較易形成莫來石化燒結反應,形成有效燒結,材料內部產生良好的網絡結構,同時材料內部不同結晶體因熱膨脹系數不一致引起的熱膨脹失配產生較多的微裂紋,已形成穩定的結構及其產生微裂紋不僅能吸收材料的彈性應變能,使驅動主裂紋擴展的能量降低,都能有效的阻止裂紋的擴展,因此該澆注料試樣經過100次熱震循環后基本沒有出現裂紋,對熱震后的樣塊進行了110℃×24h烘干,其耐壓強度在100MPa以上,耐壓保持率高達近80%(熱震100后的耐壓強度與熱震前耐壓強度的比值×100%)。3次升級后的現場試驗目前該澆注料澆注料已于09年11月、2010年7月分別在武鋼高爐風口處和武鋼燒結廠點火爐的爐頂及側墻處得到應用;2011年4月在新余鋼廠10#高爐熱風總管三岔口處的搶修工程中該澆注料又成功的實現了在高溫環境中進行施工的工業性應用,9月該廠又對另高爐一三岔口處進行了澆注修補;2011年10月經唐山國豐相關專家及領導去新余現場考察后,該材料再次成功的應用于國豐鋼廠1780m3高爐的熱風爐相同之處。澆注修補前,該處溫度測試在400℃以上,為了維持生產,該廠采用鼓風機對此降溫,并安排相關人員實時測試溫度,澆注后經鋼廠人員測試,澆注料表面及周圍最高溫度也在90℃以內,在這些成功工業應用的基礎上,2011年12月我們又成功嘗試了對某5000m3以上高爐送風總管拱頂長達40m的塌磚事故中進行整體澆注修補。圖2為該材料在部分施工及應用中的圖片。從圖片2中該材料在高溫施工環境中具有良好的施工流動性,圖2c是我們有幸在某高爐的一次大修中拍到溶膠澆注料在該高爐一次高溫修補的應用后情況,從圖2c可以清楚的看到該澆注料能和需要修補的材料之間能形成很好