摘要
以棕刚玉、板状刚玉粉、碳化硅、活性氧化铝、硅灰等为原料制备了炉缸浇注料。研究了溶胶浓 度（浓度为 30%、40%）、促凝剂、微粉加入量（质量分数分别为 3%、5%、8%）及微粉复合等溶胶结合 炉缸浇注料的施工性能（流动性能、硬化时间、烘烤性能）、硬化性能、物理化学性能和耐侵蚀性能的影 响。结果表明：浓度为 40%的溶胶做结合剂，加 5%（w）活性氧化铝和 0.04%（w）复合促凝剂，溶胶结 合浇注料的施工性能优良，其物理化学性能最佳。经实践应用，溶胶结合浇注料可代替高炉炉缸中的陶瓷 杯和风口组合砖，通过支模浇筑工艺，可形成整体密封的高炉炉缸结构，该技术克服传统结构成百上千砖 缝的设计缺陷，缩短施工维修时间，减少施工人为因素和维修施工的二次损害，延长炉缸使用寿命，提高安全系数。
关键词：溶胶；炉缸浇注料；研究；应用
高炉炉缸是高炉生产过程中安全长寿的关键部位，性能优越决定高炉服役的寿命[1-2]。炉缸长期受到铁 水物理旋流和涡流冲刷和化学侵蚀，造成炉缸熔损和破坏[3]；因此，采取行之有效的措施改进炉衬结构与 材质，对于延长高炉寿命具有重要意义，长期实践表明，优质的耐火材料及合理的炉衬结构是高炉长寿的 基础[4-5]。本工作中，研究溶胶结合浇注料的设计及其应用，目的是克服传统炉缸结构成百上千砖缝的设计 缺陷，提高炉缸使用的安全性能，使高炉炉缸从结构和材质得到优化，保证高炉高效、节能、长寿运行。
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实 验
1.1 原料
本试验所用的主要原料及其化学组成1。
表1.主要原料的化学组成
1.2 实验过程和性能检测
根据 YB/T 5202.1—2003 不定形耐火材料的制备方法和试验目的，按配方（见表 2）称取原料，放入搅拌锅内干混 1~2 min 后，加溶胶搅拌 3 min，用跳桌法测定流动值，将混好的浇注料加入内孔尺寸为Φ70/100 mm×60 mm 的锥形模内，提起模具，浇注料在无外力干预下自由流动至静止，并进行流动值的测量，测量时以约 45°间隔的四个对应点测量试样的直径，并取其平均值。借助自身重力作用脱气流平成型为 40 mm×40 mm×160mm 的条形试样，以及外部尺寸 100mm×100 mm×100 mm、内径尺寸 Φ40/30mm×50 mm 的坩埚试样。自然养护 24 h 脱模，分别110 ℃保温 24 h 烘干和 1450 ℃保温 3 h 热处理，然后按照国家标准分别检测试样的烘干体积密度、显气孔率、强度及烧后线变化率等性能指标。
表2.实验基本配方
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结果与分析
2.1 溶胶浓度对材料性能的影响
图1—图3 所示的是不同溶胶浓度对其结合浇注料性能的影响。可以看出，浓度为 40%的溶胶其施工性能、烘干性能及高温烧结后性能都要优于浓度为 30%的溶胶，分析可知，溶胶结合浇注料硬化过程是溶胶-凝胶过程，也就是硅溶胶缩合过程，其流动度和缩聚过程与溶胶中离子的浓度有关，在保证胶体溶液稳定的前提下，选择浓度为 40%的溶胶作为结合剂有利于基质的纯化和施工性能的提高，材料性能最佳。
图 1.施工性能比较
图 2. 110 ℃保温 24 h 烘干性能比较
图 3. 1450 ℃保温 3 h 烧后性能比较
2.2 促凝剂对溶胶结合浇注料性能的影响
溶胶结合浇注料与普通的水泥结合的硬化机制不同，对 SiO2 溶胶结合浇注料研究可以看出，SiO2 溶胶颗粒通过表面的硅氧醇基(-Si-O-H)发生脱水反应形成硅氧烷进而形成三维网络结构结合浇注料，其缩合反应–Si–OH+HO–Si–=–Si–O–Si–+H2O，过程如图 4 所示，a 指颗粒表面的硅氧醇基团，b 指硅氧醇基团的反应，c 指硅氧烷基，d 指氧化硅颗粒的三维网络结构。SiO2 溶胶通过颗粒间缩合反应将浇注料颗粒粘结成整体溶胶，达到施工后硬化的作用，自身材料缩合脱水，过程比较慢，溶胶结合浇注料硬化时间比较长，对促凝剂进行分析，研究溶胶结合浇注料的硬化和物理化学性能，是溶胶结合浇注料能否工业应用的基础。
图 4 硅溶胶硬化过程
促凝剂的选择根据溶胶的性质决定，本研究选用酸性硅溶胶，因为酸性硅溶胶除了具备碱性硅溶胶的性质（如：具有较大的比表面积和吸附性，较好的粘结性和良好的耐高温性，耐水性，抗滑性等）外，还具有高度分散性、无污染等。图 5 示出了不同促凝剂(a:氧化镁质促凝剂，b:有机铝盐)对硬化时间的影响。可以看出，促凝剂的复合明显提高其硬化时间，这与溶胶的硬化机制有关，不同促凝剂可以加快溶胶不同阶段的凝胶过程。图 6 示出了促凝剂加入量对材料性能的影响，研究材料的烘干抗折强度和硬化时间变化，可以看出，促凝剂的加入有提高硬化速率，但降低材料的强度性能，促凝剂加入量 0.04%（w）时，材料的性能最优化。
图 5 不同促凝剂对硬化时间的影响
图 6 促凝剂加量对材料性能的影响
2.3 微粉对溶胶结合炉缸浇注料性能的影响
研究微粉对溶胶结合炉缸浇注料性能的影响，提高材料的物理化学性能。根据对浇注料基质微粉的颗粒分布研究，选用不同粒径的微粉复合，采用断档分布设计，有利于材料基质的致密化、抗热震性和施工性能提高。试验可知，溶胶结合炉缸浇注料基质微粉主要以活性氧化铝、硅灰，尤其是双峰活性氧化铝添加，无论对材料的施工，或是材料的使用性能，影响性能都比较大；活性氧化铝微粉加入量对溶胶结合浇注料性能的影响见图 7。可以看出，不同加入量的活性氧化铝其材料的性能不同，5%（w）的添加量是材料溶胶结合炉缸浇注料最佳值，其施工性能、致密度和强度最理想。
图 7 活性氧化铝微粉加入量对溶胶结合浇注料性能的影响
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应 用
通过对溶胶结合炉缸浇注料的系统开发，研究炉缸整体浇筑密封工艺技术，该技术可以对新建/维修炉缸炉底到风口上沿部位支模泵送浇筑成型，炉缸形成一个整体内封闭(见图 8)，通过材料性能的开发研究，使整体密封成型工艺技术在材料性能得到满足、结合整体支模结构设计和浇筑泵送施工方法、可快速高效对高炉炉缸进行维修，先进的工艺技术在市场中得到广泛的推广，得到用户的好评。整个工艺工程相比传统砌砖方式，过程方便快捷，施工环境友好，没有砖缝缺陷，施工时间节约 40%以上，寿命 3~5 年。
图 8 高炉炉缸整体成型示意图
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结 论
(1)质量溶度为 40%溶胶为结合剂，加 5%（w）活性氧化铝和 0.04%（w）的复合促凝剂溶胶，溶胶结合浇注料的施工性能优良，其物理化学性能最佳。
(2)通过溶胶结合炉缸浇注料的研究、结合整体支模结构设计和浇筑泵送施工方法、可快速高效对高炉炉缸进行维修，做到炉缸整体密封结构。
(3)高炉炉缸整体密封工艺有效弥补传统结构存在的砖缝缺陷，结构整体性强，施工隐患少，施工周期短，寿命长，高炉在操作过程中安全可控性高，保证了高炉高效、节能、长寿运行。
参考文献
[1] 张寿荣，银汉. 21世纪炼铁发展趋势及对中国高炉炼铁的挑战[J]. 中国冶金, 2009,19(9):1-8.
[2] 张寿荣. 高炉长寿技术展望[J]. 钢铁研究, 2009, 37(4):1-3.
[3] 张福明，程树森. 现代高炉长寿技术[M]. 北京:冶金工业出版社，2012:71-79
[4] Liu Zhenjian, Zhang Jianliang，Zuo Haibin. Recent progress on long service life design ofchinese blast furnace hearth[J]. ISIJ International,2012,52(10): 1713–1723.
[5] Silva N, Vernilli J, Justus M, et al. Wear mechanism for blast furnace hearth refractorylining[J]. Ironmaking and Steelmaking, 2005, 32(6): 459-465.
作者：唐勋海 高 栋 薛乃彦 郑期波 徐自伟 张雯文
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