摘  要  溶胶结合耐材具有无需养护便可快速烘烤、良好的体积稳定性、抗热震稳定性及抗CO侵蚀性能等特性。在炼铁系统中，溶胶结合快速修补耐材取代传统结合剂结合耐材，在高炉喷注、炉缸浇注、铁口维修维护、热风炉局部坍塌热态修复等方面得到了广泛成功应用。

关键词  硅溶胶  热态浇注  炉缸浇注  铁口维修  压浆 

1  前言

随着资源节约、环境友好和谐社会发展的需要，高炉的高效与长寿已成为现代化炼铁所追求的目标，而有效的炉体维护是实现高炉及配套炼铁系统设备高效与长寿的关键。目前我国高炉炼铁系统耐材快速修补技术已得到推广应用。但是，传统的修补耐材，多采用树脂及焦油作结合剂，这类材料常温难以固化且体积稳定性较差，中低温烘烤时还产生大量有害气体。而水泥结合耐材因需养护形成水化矿相才能形成有效结合强度，而快速修补（特别是热态抢修）几乎没有养护水化时间，所以修补料性能难以有效发挥；另外，因水泥结合耐材水化矿相脱水温度高造成脱水困难，在快速烘烤中极易发生爆裂。

所以为了有效改善目前修补材料的性能，增加修补材料品种，我们研制了溶胶结合快速修补耐材（浇注料、喷注料、压入料等），现已在炼铁系统耐材衬里冷/热态快速修补上广泛应用。

2  溶胶结合耐材特性

2.1  硅溶胶结合剂

硅溶胶(见图1)是粒径从几纳米到数十纳米的多聚硅酸分散体系［1］，溶胶粒子内部结构为硅氧烷(-Si-O-Si)网络，表面层由许多硅烷醇基(-SiOH)和羟基(-OH)所覆盖。当硅溶胶与Al2O3微粉混合时，胶体粒子可吸附在Al2O3颗粒表面，形成单层饱和分布，同时填充于Al2O3颗粒间隙，因此分散性、渗透性较好。通过干燥或烧结处理，胶体粒子以化学健(Si-O-Si)相结合，形成稳定的空间网络结构，将Al2O3颗粒牢固结合在一起，并在Al2O3颗粒表面形成纳米包覆的微复合结构［2］。同时硅溶胶覆盖在固体表面能形成牢固的硅胶薄膜［3］，从而增强材料的粘结、固化和成型特性。

2.2  溶胶结合耐材特性

对于溶胶结合耐材的特性，近些年已有大量的试验研究。研究结果显示，溶胶结合耐材具有如下特性:

（1）无需养护便可快速烘烤：溶胶结合浇注料是胶体凝胶而产生结合耐火材料，材料内部水化凝胶结晶，成型时产生的一些微气孔可有效的排出材料内部快速烘烤时产生的水蒸气；

（2）良好的体积稳定性及抗热震稳定性［4］：经大量实验验证，溶胶结合材料在800℃×3h烧后线变化基本为零，1400℃×3h烧后线变化率仅在+0.2%左右。很好的满足了工业窑炉生产中对耐火材料体积稳定性的要求，同时对于抗热震稳定性（1100℃水冷抗热震性的对比测试），以水泥结合的试样经四十几次热震循环就完全开裂，而溶胶结合的热震循环100次后基本没有出现裂纹；

（3）良好的抗CO侵蚀性能［5］：为了直接体现溶胶结合耐火浇注料抗CO侵蚀性能的优越性，有人曾用传统的水泥结合耐火浇注料与溶胶结合浇注料进行了对比，把两种相同材质的浇注料同时放入到纯CO气氛中进行500℃的连续热处理，其结果是：水泥结合的浇注料在经热处理50h后试样就破裂为两半，100h后试样出现一处大块剥落，有大颗粒碳沉积，150h后出现数处裂纹，200h有大块剥落，多处出现裂纹，表明其已受CO严重侵蚀。而溶胶结合的浇注料50h后试样表面出现一处碳沉积，100h后试样表面出现一片剥落，而150h仅有出现几处开裂，而200h后试样整体变黑，碳黑沉积在试样的各个气孔中，试样从表面到内部仅受到严重的蚀损。

3   炼铁系统的应用实践

3.1  高炉喷注修补造衬

高炉喷注造衬是高炉中后期一种快速修复炉型、延迟高炉的一代炉役寿命的有效手段。高炉内衬耐材在既承受高温的同时，还要承受炽热炉料渣铁由上而下，边缘气流自下而上都对炉衬产生强的冲刷作用，另外CO还原气氛和碱蒸汽等也会对炉衬产生侵蚀破坏。因此在高炉中后期，炉衬损毁，炉型被严重破坏，高炉操作性变差、炉况不稳、能耗增高。这时即可通过喷注修补造衬将炉型修复至合理顺滑炉型，使边缘气流合理分布，增强煤气利用率，炉况恢复稳定顺行，降低焦比和燃料比。

因此高炉喷注修补造衬，不仅要求材料必须具有极佳的高温性能好，良好的导热和优异的抗渣铁侵蚀性能外，还需要材料具有快速烘烤甚至免烘烤（热态喷补）、高的体积稳定和热震稳定性及抗CO侵蚀性能。从上述溶胶结合材料的特点可见，溶胶结合喷注料较水泥或其他结合材料更为合适，特别是在高炉炉身下部、腹炉及腰等温度较高区域，其应用性能是传统水泥结合喷注料所难以比拟的。

联合荣大公司溶胶结合喷注料目前已应用于数百座高炉（包括4038m3、5500m3、5800m3等巨型高炉，见图2）的上，应用效果得到普遍认可。

3.2  炉缸整体浇注快速修补

炉缸整体浇注修补技术（见图3）是近些年依托溶胶结合刚玉碳化硅质泵送浇注料为基础所发展的一项炉缸快速修补技术。其可最大限度地保留残余炭砖，仅对部分严重侵蚀区域炭砖采用高导热浇注料进行针对性修复。能为客户节省大量耐材（炭砖），大幅缩短了维修工期。整体浇注的陶瓷杯与炭砖界面紧密贴合，炉缸结构紧密；不存在传统陶瓷杯与炭砖间的间隙捣打料，避免了因气隙而造成“间隙热阻”的问题，使炉缸整体传热效率得以提高，1150℃凝铁等温线推移至浇注陶瓷杯的内部，炭砖得到有效隔离和保护。实践证明采用溶胶结合刚玉碳化硅质泵送浇注料整体浇注的陶瓷杯，有效的避免了传统砌筑陶瓷杯可能出现的砌筑隐患，性能寿命更稳定。因此目前不仅高炉炉缸大修采用整体浇注（图4为部分炉缸整体浇注现场），很多新建高炉也已开始采用。

3.3  铁口热态快速修补

铁口一般由组合砖砌筑，在应用过程中要承受开孔机和泥炮的压力，还要受到渣铁的侵蚀和冲刷。铁口也因此成为高炉本体最薄弱环节之一。铁口组合砖一旦出现裂缝和损坏，就会造成煤气造成煤气泄漏、喷溅窜火等（见图5），影响出铁和炉前作业环境。

铁口出现问题，传统修补方式多采用树脂及焦油结合捣打料，难以保证密实寿命短；也有采用水泥或磷酸盐结合刚玉（或刚玉碳化硅质）浇注料，但因铁口结构局限及热态修补，不仅要求浇注料要有良好的流动性，几乎无养护及烘烤时间；这两种结合方式的浇注料也无法取得理想的应用效果。针对此情况，联合荣大所开发溶胶结合的铁口专用自流浇注料很好解决了铁口修补难题(图见6)。通过在攀钢炼铁厂新三号高炉1#、3#铁口和二号高炉铁口等现场工业试用，一次维护寿命9个月效果（传统维修最多3个月）。该溶胶结合的铁口专用自流浇注料现已拓展应用在数十座高炉铁口，成功解决了铁口泥套破损、煤气窜漏、喷溅及穿漏铁等各种问题。

3.4  热风炉及热风管道局部坍塌热态快速修补

近些很多热风炉进出三岔口区域、热风管及烧嘴口等部位频繁出现砖衬下塌甚至坍塌问题，导致轻则钢壳温度过高，而不得不临时采取加背包并喷淋冷却以维持生产；重则烧穿不得已停炉维修。

目前最佳的处理方案为，采用溶胶结合莫来石刚玉自流料进行热态快速修补。处理工艺如下：割开问题部位钢壳，以6mm左右钢板为内模已不锈钢筋拉住，恢复钢壳（已粘贴好纤维毡）并留设关注口，采用溶胶结合莫来石刚玉自流料进行浇注。图7为某高炉热风炉自外部灌注快速修补现场，通过此热态浇注修补，该部位可达到与其他部位同等使用寿命效果水平，已运行3年无问题。

3.5  其他

溶胶结合快速修补耐材在炼铁系统中除了上述应用，还有很多其他应用也取得良好的应用效果。比如：京唐5500m3高炉、涟钢2200m3高炉等采用溶胶结合铝质自流料用于炉壳与冷却壁之间的间隙的填充；高炉、热风炉压浆维护也已开始广泛采用溶胶结合压入料。

4  结束语

溶胶结合耐材具有无需养护便可快速烘烤、良好的体积稳定性、抗热震稳定性及抗CO侵蚀性能等特性，使其在炼铁系统快速修补上显示出了绝对优势。目前随着对溶胶结合耐材的不断开发，相信还会有更多的优良技术来取代传统耐材，为炼铁系统的有效运行保驾护航。

5  参考文献

［1］ 黄福明，袁养龙，胡春圃，等． 纳米二氧化硅水分散体的制备及复配［J］． 华东理工大学学报， 2003， 29( 6) :583586． 

［2］ Kong D，Yang H，Wei S，et al．Gel-casting without de-airing proc-ess using silica sol as a binder［J］．Ceram Int，2007，33: 133139． 

［3］ Suratwala T，Hanna M L，Whitman P． Efect of humidity during the coating of Stobcr silica sols［J］．J． Non-Cryst Solids，2004， 349:368376．

［4］ 熊继全，代洁，彭云涛，等． 硅溶胶对刚玉浇注料性能的影响［J］． 耐火材料， 2010，44( 4) : 302304． 

［5］ 曹枫，龙世刚，孟庆民，等． 溶胶-凝胶结合耐火浇注料抗 CO 侵蚀性能研究［J］． 稀有金属材料与工程， 2007，36( 2) : 362365．