为炉体运行赢得时间

熊继全 代洁 彭云涛 方昌荣 任强 程鹏

　　目前，加热炉内衬使用的多为低水泥高铝浇注料和无水泥高铝浇注料。低水泥高铝浇注料成型后由于水泥水化后的晶粒长大造成材料相对密实，水分难以排出，固化后一般还需养护2天，拆模后进行烘烤时，烘烤不宜过快，一般需要烘炉7天。而无水泥浇注料常温强度较低，随着水分的排出而强度提高，一般作为炉顶浇注材料，浇注以后需要自然干燥3天，然后还需要7天左右的烘炉时间。

　　采用这两种浇注料不仅烘炉时间长，而且烘炉过程难以控制，当升温速度稍有过快时，极易造成炉衬爆裂。为此，有研究人员以刚玉、莫来石为骨料，以莫来石粉、白刚玉粉及α-Al2O3微粉为细粉，采用硅溶胶作结合剂，通过添加适当的固化剂，研制了刚玉莫来石浇注料。该浇注料可以用极短的时间拆模、养护和烘炉，为炉体正常运行赢得了时间，提高了经济效益。

　　试验与研究

　　试验原料。试验用主要原料为电熔板状刚玉骨料（Al2O3含量≥92.0%，粒度5毫米~8毫米、3毫米~5毫米、1毫米~3毫米、<1毫米），合成莫来石骨料（Al2O3含量≥60%，粒度5毫米~8毫米 、3毫米~5毫米、1毫米~3毫米、<1毫米），白刚玉粉（Al2O3含量≥ 99.40%，0.043毫米 ），α-Al2O3微粉及莫来石粉（Al2O3含量≥60%，0.043毫米）；结合剂硅溶胶及固化剂。

　　试样的制备。通过对多组不同原料组成和不同粒度级配试验的理化指标进行对比、分析和总结后，得到溶胶结合刚玉―莫来石浇注料的最佳粒度及组分配比。其中，不同原料的质量分数如下：板状刚玉32%、莫来石51.5%、刚玉粉10%、α-Al2O3微粉6%、固化剂0.5%、硅溶胶10%（外加）。

　　研究人员按此配比称取各相应的原料，将称好的原料放入搅拌锅中混匀，并分别添加适量的固化剂和结合剂。把搅拌好的料放入尺寸分别为40毫米×40毫米×160毫米和70毫米×70毫米×70毫米的模具中振动浇注成型，通过固化剂含量的改变，可控制试样在90分钟至150分钟内形成固化，成型后常温放置12小时后便可脱模，脱模后的试样可直接放入烘箱在110℃环境下进行24小时干燥。对干燥好的40毫米×40毫米×160毫米的试样分别进行815℃、1100℃和1400℃保温3小时的热处理。

　　性能检测。研究人员对热处理后的40毫米×40毫米×160毫米试样分别按GB/T2997-2000检测试样的体积密度，按GB/T5988-2004检测试样烧后线变化率，按GB/T3001-2000检测试样的常温抗折强度，按GB/T5072.2-2004检测试样的耐压强度，按GB/T17617-1998对干燥后的70毫米×70毫米×70毫米试样进行1100℃水冷抗热震性的检测。

　　结果与讨论

　　试样的物理性能分析。根据试样经110℃环境下24小时干燥和815℃、1100℃、1400℃保温3小时热处理后的强度、体积密度和线变化率可以看出，试样在烘干后的抗折及耐压强度与普通低水泥高铝浇注料相当，其主要原因：硅溶胶是粒径从几纳米到数十纳米的多聚硅酸分散体系，当硅溶胶与活性α-Al2O3微粉混合时，胶体粒子可吸附在α-Al2O3颗粒表面，形成单层饱和分布，同时填充于α-Al2O3颗粒间隙，因此其分散性和渗透性较好。当固化剂水化后形成离子促进硅溶胶凝胶时，导致纳米粒子表面硅烷醇基团发生缩合反应，干燥后,胶体粒子以化学键（Si-O-Si）相结合，形成稳定的空间网络结构，将Al2O3颗粒牢固的结合在一起，同时硅溶胶覆盖在固体表面形成稳固的硅溶胶薄膜，因此试样的烘后的抗折耐压强度较高，可以媲美低水泥浇注料。但其抗折和耐压强度却随热处理温度的升高而增加，这对水泥结合浇注料的中温强度下降是一个很大的改善。

　　同时从上述变化中还可以看出：溶胶结合的浇注料经1100℃ 与1400℃热处理后的理化指标差别不大，可知此浇注料经1100℃热处理后已形成较好的烧结，这是由于硅溶胶中纳米SiO2的反应活性极高, 并且胶体粒子吸附在活性α-Al2O3颗粒表面，同时填充于α-Al2O3颗粒间隙，当二者之间充分接触时，降低了莫来石化温度，材料便能很好地烧结。因此当加热炉在1200℃~1300℃烘炉后，溶胶结合的浇注料已形成烧结，此材料的抗冲刷性及抗侵蚀性就能得到很大的提高。同时由于材料中钙、钠含量少，因此可形成的低熔点物质少，在高温时形成的液相少，材料的荷重软化温度也能得到提高，试验证实其超过1650℃（由于试验室做荷软试验炉最高温度为1650℃）。

　　试样的抗热震性分析。试样经过100次热震循环后基本没有出现裂纹，对热震后的样块进行了110℃环境下24小时烘干，其耐压强度为104MPa，耐压保持率高达近90%（热震100后的耐压强度与热震前耐压强度的比值×100%）。这主要是由于溶胶中纳米SiO2的引入在浇注料基质中产生莫来石化反应，提高了此浇注料的热震稳定性。而普通的水泥浇注料试样经过49次热震循环后基本完全开裂，在显微镜下观察，其组织结构是由彼此分离的、大小相近的块状物组成，这是由于普通的水泥浇注料在1100℃时基质基本没有形成烧结，同时由于干燥时大量游离水的排出，使材料的气孔率增大，这样其导热率就会下降，抗热震性较差。

　　快干浇注料的生产与应用。按所定配比组织生产的溶胶结合刚玉-莫来石浇注料已分别在某钢企烧结厂的高炉风口处和该厂烧结厂点火炉的炉顶、侧墙处得到应用。风口处的浇注料在半天后脱模，由于时间紧，在1300℃下只烘烤8小时便投入了生产。而烧结厂点火炉上的浇注料在炉顶的厚度达到了400毫米，而侧墙的厚度也在330毫米左右，同样在浇注成型12小时后立即拆模烘炉，烘烤24小时便投入正常生产。至此，在工业生产中的应用中真正地实现了材料半天拆模，1天烘炉。而普通浇注料养护及烘炉时间要9天~10天以上。因此，与原加热炉炉衬浇注料相比，烘炉时间缩短了。这样既延长了炉体的服役时间，提高了设备的利用率，又节约了烘炉的燃料，同时在烘炉时也不会排出有害气体，符合目前国家对新材料开发应建立在节能、减排及增效的要求。