α-Al 2O3微粉對硅溶膠結(jié)合灌注料的影響

費圣剛，蔡 瑋

（1.山東省冶金設(shè)計院股份有限公司，山東 濟南250000；2.中冶武漢冶金建筑研究院有限公司，湖北 武漢430081）

隨著冶金技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，對高爐和熱風(fēng)爐的使用壽命要求越來越高[1]，高爐和熱風(fēng)爐用耐火材料使用條件更加惡劣[2]。灌漿料是指可以用泵進行擠壓施工的不定形耐火材料。高爐和熱風(fēng)爐經(jīng)過一定時間生產(chǎn)后工作層會產(chǎn)生縫隙，為了延長使用壽命，需要通過壓力將灌注料壓至縫隙處堵縫來提高高爐和熱風(fēng)爐的使用壽命[3]。目前硅溶膠結(jié)合灌注料主要有以下幾類：碳化硅質(zhì)灌注料、鋁硅質(zhì)灌注料以及復(fù)合體系灌注料。采用硅溶膠結(jié)合灌注料具有流動性好、固化時間短、常溫和高溫強度高、抗渣侵蝕能力強等優(yōu)點。

α-Al2O3微粉活性大、粒度細，常用于定型制品和耐火澆注料、可塑料、修補料、噴補料等不定形耐火材料，對改善耐火材料的高溫強度、提高材料的抗侵蝕性能等方面具有很好的效果。王慶恒等[4]將α-Al2O3微粉加入澆注料中，顯著提高了澆注料施工性能。李仕祺等[5]研究了活性氧化鋁微粉種類對鋼包用ρ-Al2O3結(jié)合Al2O3-MgO澆注料性能的影響，發(fā)現(xiàn)加入型號為PFR40的澆注料試樣流動性能最佳、常溫耐壓強度最高且具有較好的抗熱震性能和高溫抗折強度。李文平等[6]研究了氧化鋁微粉與減水劑對剛玉質(zhì)澆注料施工性能的影響，發(fā)現(xiàn)氧化鋁微粉中可溶性堿性氧化物含量對澆注料的施工性能和可工作時間有一定的影響。為了進一步提高硅溶膠結(jié)合灌注料性能，研究α-Al2O3微粉加入量對其性能影響。

1 試驗

1.1 原料

試驗所用原料為：粒度5～3 mm、3～1 mm、≤1 mm、0.076 mm的碳化硅、5～3 mm、3～1 mm、≤1 mm、0.076 mm的電熔剛玉、0.076 mm的高鋁礬土≤0.044 mm的α-Al2O3微粉、≤0.044 mm的SiO2微粉及JN-40硅溶膠。其主要原料的化學(xué)組成見表1。

表1 原料的化學(xué)組成 （w%）

1.2 試樣制備及性能檢測

按表2實驗配比稱重后置于攪拌機中攪拌2～3 min，然后加入12%～15%（w）的硅溶膠后繼續(xù)攪拌3～5 min，制成40 mm×40 mm×160 mm的條形試樣，自然養(yǎng)護24 h后脫模，再置于烘箱中在110℃干燥24 h。將試樣分別經(jīng)815℃、1 400℃保溫3 h熱處理后自然冷卻到室溫。

表2 試驗配比 （w%）

對烘干以及經(jīng)815℃、1 400℃熱處理后試樣，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢測其體積密度、常溫抗折強度、常溫耐壓強度、永久線變化率以及1 370℃保溫1 h的高溫抗折強度。

2 結(jié)果與討論

2.1 常溫物理性能

在實驗過程中發(fā)現(xiàn)隨著α-Al2O3微粉加入量的逐漸增加，硅溶膠結(jié)合灌注料的黏度逐漸增加，灌注料的流動性能明顯降低。在α-Al2O3微粉加入量為2a%時自流性能最佳且施工性能優(yōu)異。α-Al2O3微粉比表面積大、活性高，溶于水后pH值在7～9之間。由于硅溶膠本身對pH值非常敏感，一旦超出硅溶膠穩(wěn)定的pH范圍（pH=8.5～10.5）會快速凝膠，導(dǎo)致材料施工性能被破壞而無法正常施工。經(jīng)過試驗表明，α-Al2O3微粉的pH值約為7時對硅溶膠凝膠的影響最小、對灌注料流動性能的影響最小。因此在實際生產(chǎn)使用過程中需將pH值控制在7左右。

圖1為α-Al2O3微粉加入量對硅溶膠結(jié)合灌注料常溫物理性能的影響?？梢钥闯觯涸诠枞苣z結(jié)合灌注料中不加入α-Al2O3微粉時，試樣的常溫抗折強度和常溫耐壓強度均偏低，加入α-Al2O3微粉對試樣強度提高作用顯著。隨著α-Al2O3微粉加入量的不斷增加，110℃烘干和815℃中溫?zé)崽幚砗笤嚇訌姸让黠@有所提高，經(jīng)1 400℃熱處理后試樣強度提高明顯，對試樣的燒后線變化率和體積密度影響不大。這是因為當(dāng)α-Al2O3微粉與硅溶膠結(jié)合后，具有活性的微粉顆粒吸附在硅溶膠膠粒表面，增強了溶膠本身的吸附力，且略帶堿性的特征促進了硅溶膠的凝膠，從而提高了中低溫處理后試樣的強度。在1 400℃高溫?zé)崽幚項l件下，α-Al2O3微粉能與硅溶膠原位生成莫來石提高試樣的強度。但α-Al2O3微粉加入量超過2a%后，試樣強度增長較慢，1 400℃熱處理后強度有所下降。

圖1 α-Al2O3微粉加入量對試樣常溫物理性能的影響圖

2.2 高溫物理性能

圖2是α-Al2O3微粉加入量對硅溶膠結(jié)合灌注料高溫物理性能的影響。隨著α-Al2O3微粉加入量的增加，試樣在1 370℃下保溫1h后的熱態(tài)抗折強度先增大后降低。這是由于加入α-Al2O3微粉后能與試樣中硅溶膠在1 370℃下原位反應(yīng)生成莫來石提高試樣強度，隨著α-Al2O3微粉加入量的增加，超過2a%后，試樣的流動性能變差，導(dǎo)致試樣在高溫下的強度下降。

圖2 α-Al2O3微粉加入量對硅溶膠結(jié)合灌注料高溫物理性能的影響圖

2.3 顯微結(jié)構(gòu)

圖3是α-Al2O3微粉加入量對硅溶膠結(jié)合灌注料經(jīng)1 400℃保溫3 h后試樣顯微結(jié)構(gòu)?？梢钥闯觯涸谘趸X微粉加入量為a%時，α-Al2O3微粉與試樣中硅溶膠及SiO2微粉中的SiO2反應(yīng)生成莫來石；在氧化鋁微粉加入量為2a%時，原位反應(yīng)生成的柱狀莫來石穿插在試樣中提高了試樣的強度。氧化鋁微粉加入量為2a%時生成的莫來石的量以及莫來石晶須生長情況均優(yōu)于加入量為a%的試樣。

圖3 氧化鋁微粉加入量對硅溶膠結(jié)合灌注料顯微結(jié)構(gòu)的影響圖

3 結(jié)論

（1）由于市售α-Al2O3微粉是偏堿性粉體，極易在不同程度上改變灌注料結(jié)合劑硅溶膠的pH值使其凝膠狀態(tài)發(fā)生改變，凝膠速度加快，導(dǎo)致硅溶膠結(jié)合灌注料的施工性能變差。為保證材料的施工質(zhì)量，α-Al2O3微粉應(yīng)該選擇pH值接近7為合適。

（2）α-Al2O3微粉的加入使得溶膠結(jié)合灌注料的冷、熱態(tài)強度有很大程度的提高，但當(dāng)α-Al2O3微粉的加入量大于2a%后，溶膠結(jié)合灌注料的強度有所降低。為保證灌注料有良好的施工性能，同時具有良好的常溫抗折耐壓強度以及高溫物理性能，α-Al2O3微粉加入量為材料重量的2a%最為合適。