硅溶膠又稱硅酸溶膠，分子式為SiO?·xH?O，是一種硅酸多分子聚合物形成的膠體溶液，聚合物的微粒通常在7~20nm，如果使用特殊加工工藝也可以制得更大粒徑的硅溶膠。硅溶膠聚合物微粒不但能在水中分散，也可以在有機(jī)溶劑中分散。硅溶膠的失水溫度范圍寬，失水不僅不會破壞其結(jié)合強(qiáng)度，還會使其三維結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，產(chǎn)生更高的結(jié)合強(qiáng)度。
硅溶膠做耐火材料結(jié)合劑時，燒結(jié)后可賦予材料陶瓷凝聚結(jié)合，這克服了水泥結(jié)合耐火材料中溫強(qiáng)度偏低的致命弱點(diǎn)。硅溶膠作為耐火澆注料結(jié)合劑的原理是基于溶膠-凝膠技術(shù)，硅溶膠分布于耐火材料顆粒表面，在顆粒周圍形成凝膠，在此過程中顆粒表面上的羥基凝固脫除水分，形成Si-O-Si結(jié)合，使耐火材料在施工養(yǎng)護(hù)過程中產(chǎn)生強(qiáng)度。施工體干燥后，凝膠把骨料結(jié)合在一起形成骨架，提供強(qiáng)度。
1、硅溶膠在壓入泥漿中的應(yīng)用
為了追求高爐煉鐵的長壽化，壓入泥漿在我國高爐爐體快速修補(bǔ)技術(shù)中已經(jīng)得到推廣應(yīng)用。但目前應(yīng)用較為廣泛的是采用有機(jī)樹脂及焦油作結(jié)合劑的壓入泥漿，這類泥漿很難固化，受熱時還產(chǎn)生大量苯并芘類有害氣體，且材料收縮較大，體積穩(wěn)定性差。
因此，近幾年開始選用硅溶膠作為壓入料的結(jié)合劑。經(jīng)過試驗(yàn)研究證實(shí)：硅溶膠結(jié)合的壓入泥漿經(jīng)1200℃*3h高溫處理后的收縮率遠(yuǎn)小于樹脂結(jié)合壓入泥漿的。而且110℃干燥后的硅溶膠結(jié)合壓入泥漿試樣在經(jīng)過近100次的1100℃水冷熱震試驗(yàn)后，基本沒有出現(xiàn)裂紋，此時的耐壓強(qiáng)度超過80MPa，熱展后強(qiáng)度保持率超過80%。這主要是因?yàn)楣枞苣z中納米SiO?在壓入泥漿的基質(zhì)中產(chǎn)生莫來石化反應(yīng)，提高了材料的抗熱震性。
而樹脂結(jié)合壓入泥漿試樣經(jīng)過10次左右的熱震后就完全開裂了，這是由于這類壓入泥漿在1100℃時基質(zhì)尚未形成陶瓷結(jié)合,而在低溫下能產(chǎn)生結(jié)合強(qiáng)度的樹脂在加熱到I100℃時已經(jīng)被燒掉，并且在燒失過程中形成氣體而使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈疏松狀，導(dǎo)致材料結(jié)合強(qiáng)度下降，當(dāng)材料受急冷急熱變化時，材料內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力超過材料自身的結(jié)合強(qiáng)度，就產(chǎn)生了開裂或剝落。
由此證實(shí)，硅溶膠結(jié)合的壓入料在性能上要比樹脂結(jié)合的好得多。而且硅溶膠結(jié)合的壓入料從生產(chǎn)、施工到應(yīng)用，對環(huán)境沒有污染，對施工工人的身體健康沒有危害，所以硅溶膠結(jié)合的壓入泥漿是一種環(huán)保型材料。這種硅溶膠結(jié)合壓入料已成功應(yīng)用于鋼廠高爐的爐壁和高爐和熱風(fēng)爐圍管的維修。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，硅溶膠結(jié)合的壓入料不僅具有較好的施工性能和使用性能，而且還是一種環(huán)保型壓入泥漿。
2、硅溶膠在鋁碳化硅質(zhì)澆注料中的應(yīng)用
寶鋼曾提出了“鐵水連續(xù)處理”的概念，在出鐵溝內(nèi)連續(xù)進(jìn)行脫硫脫磷和脫硅“三脫”處理，從而使鐵水預(yù)處理工藝更加簡約、節(jié)能。但是，“三脫”使用的材料及反應(yīng)后所形成的爐渣對耐火材料產(chǎn)生強(qiáng)烈的侵蝕作用，造成材料損毀過快，嚴(yán)重影響了材料的使用壽命。因此，提高出鐵場系統(tǒng)用Al?O?-SiC質(zhì)材料的抗侵蝕性能就尤為重要。
與水泥結(jié)合的澆注料相比，硅溶膠結(jié)合的澆注料具有更優(yōu)異的物理性能和高溫性能，特別是其體積穩(wěn)定性好，抗爆裂、抗剝落,可以在相對較高的溫度下施工，可以快速烘烤及投入使用，縮短了施工周期，提高了生產(chǎn)效率。這主要是因?yàn)楣枞苣z結(jié)合劑中存在氣孔，提高了材料的透氣性，所以可以在較高的溫度下施工及快速干燥。與水泥結(jié)合Al?O?-SiC質(zhì)澆注料相比，其養(yǎng)護(hù)和干燥、烘烤時間可縮短一半以上。
硅溶膠用于Al?O?-SiC質(zhì)澆注料中,可明顯提高耐火材料的抗渣侵蝕性能。使用硅溶膠取代純鋁酸鈣水泥作結(jié)合劑，可增強(qiáng)Al?O?-SiC澆注料在熱處理后的抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度，并且硅溶膠的加入有利于降低SiAION相的生成溫度，并形成性能良好的β-SiAION相，從而提高了澆注料的強(qiáng)度。
從澆注料的使用效果來看，硅溶膠結(jié)合的Al?O?-SiC質(zhì)澆注料在高爐出鐵溝、魚雷罐、混鐵爐、鐵水包等煉鐵領(lǐng)域高溫窯爐中都得到應(yīng)用,其施工性能和耐用性均好于非溶膠結(jié)合的同類澆注料。2014年，硅溶膠結(jié)合Al?O?-SiC-C澆注料在某鋼廠5250m3高爐出鐵溝上應(yīng)用，一次通鐵量超過25萬t,比原來使用非硅溶膠結(jié)合Al?O?-SiC-C質(zhì)澆注料的20萬t通鐵量相比提高了25%。
3、硅溶膠在剛玉莫來石質(zhì)澆注料中的應(yīng)用
目前，加熱爐、均熱爐、點(diǎn)火爐等窯爐內(nèi)襯多采用低水泥高鋁澆注料。水泥結(jié)合的高鋁澆注料在施工時般需要2天左右的養(yǎng)護(hù)期和拆模時間以及一周以上的烘爐時間。該材料在使用時因?yàn)樗嘀泻珻aO，在高溫下CaO會與材料中的Al?O?和SiO?反應(yīng)形成鈣鋁黃長石等低熔物，導(dǎo)致材料荷重軟化溫度降低，抗熱震性變差，從而降低了爐襯的使用壽命。
由于硅溶膠是一種納米氧化硅膠體，比表面積、吸附性較強(qiáng)，并且在水中發(fā)生電離作用使膠粒帶有相同的負(fù)電荷，導(dǎo)致顆粒間產(chǎn)生排斥作用，這特性使采用硅溶膠為結(jié)合劑的澆注料具有優(yōu)良的流動性能。熱處理后，膠體粒子以化學(xué)鍵Si-O-Si結(jié)合，形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時硅溶膠覆蓋在固體顆粒表面，能形成牢固的硅膠薄膜，從而增強(qiáng)材料的粘結(jié)、固化和結(jié)合強(qiáng)度。
因此，以硅溶膠為結(jié)合劑的澆注料在中低溫時都具有較高的結(jié)合強(qiáng)度，滿足了工業(yè)爐襯施工要求；而且在高溫下材料內(nèi)部能形成陶瓷結(jié)合，即硅溶膠中的SiO?很容易與原料中的Al?O?反應(yīng)，在基質(zhì)中形成針狀、柱狀莫來石而產(chǎn)生較高的結(jié)合強(qiáng)度。另外，由于針狀和柱狀莫來石品體的交錯分布，形成了相互交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可提高澆注料的強(qiáng)度、韌性及抗熱震性能。
硅溶膠結(jié)合的剛玉-莫來石澆注料在2010年初開始在國內(nèi)數(shù)座大型鋼廠加熱爐上使用，取得了比以往使用純鋁酸鹽水泥結(jié)合澆注料更好的施工和使用效果。2010年初，在某廠加熱爐施工時，爐內(nèi)溫度偏低，施工的爐墻厚度超過300mm，爐頂厚度超過400mm，按經(jīng)驗(yàn)這樣的條件至少要養(yǎng)護(hù)48h才可以拆除模具，但因?yàn)槭褂玫墓枞苣z結(jié)合澆注料，施工后強(qiáng)度提升較快，僅養(yǎng)護(hù)12h即拆模，拆模后立即實(shí)行煤氣烘爐，整個施工與烘烤過程比原來的時間減少一半，澆注料使用正常，目前加熱爐還在使用中。
硅溶膠結(jié)合的剛玉莫來石澆注料還用于鋼包永久層工作襯，在某大型鋼廠300t鋼包上，硅溶膠結(jié)合剛玉莫來石澆注料的使用壽命超過1500爐，比原來水泥結(jié)合澆注料使用1000爐的壽命提高了50%。這主要是硅溶膠結(jié)合的剛玉莫來石澆注料，具有良好的物理性能和高溫性能，其使用壽命必定會超越目前常規(guī)水泥結(jié)合的澆注料爐襯。
4、硅溶膠在剛玉質(zhì)澆注料中的應(yīng)用
高純剛玉質(zhì)澆注料具有優(yōu)良的抗渣性、抗?jié)B透性和耐剝落性，被廣泛應(yīng)用于鋼包、電爐頂、水泥窯等使用環(huán)境非常苛刻的部位。剛玉質(zhì)耐火澆注料常采用高純鋁酸鈣水泥作為結(jié)合劑，有時復(fù)合鋁微粉或SiO?微粉作為復(fù)合結(jié)合劑。在SiO?和CaO同時存在的條件下，耐火材料內(nèi)部在1400-1500℃時會形成鈣黃長石等低熔點(diǎn)物質(zhì)，以致影響材料的高溫使用性能。
研究表明：使用硅溶膠作為剛玉澆注料的結(jié)合劑時，隨著硅溶膠含量的增加，澆注料的流動值增大，硅溶膠加入7%(w)時澆注料已具有較好的流動性能；以硅溶膠為結(jié)合劑的剛玉澆注料在1400℃下的熱態(tài)抗折強(qiáng)度高于以水泥為結(jié)合劑的。這主要是因?yàn)樗嘟Y(jié)合試樣因CaO的引入在高溫下和體系中SiO?等雜質(zhì)反應(yīng)形成了低熔點(diǎn)相；而硅溶膠結(jié)合澆注料試樣因體系內(nèi)不含CaO，高溫下不僅不會產(chǎn)生低熔點(diǎn)相物質(zhì)，而且還形成少量高熔點(diǎn)的莫來石相，提高了其熱態(tài)強(qiáng)度。
目前，硅溶膠結(jié)合的剛玉耐火澆注料已經(jīng)在加熱爐的水冷管、邊緣磚、燒嘴磚、均熱爐的爐口，精煉爐爐蓋以及工頻感應(yīng)爐、大中型高功率電爐蓋三角區(qū)和LF精煉鋼包蓋等部位以及鋼包底座磚周圍、工作層等部位廣泛使用。
5、硅溶膠在輕質(zhì)保溫澆注料中的應(yīng)用
輕質(zhì)保溫澆注料減少了熱工窯爐工作時的熱量損失，提高了熱工窯爐的效率，為節(jié)能降耗做出了貢獻(xiàn)。氧化鋁空心球澆注料具有耐高溫、保溫性能好、強(qiáng)度高、抗熱震性好、高溫體積穩(wěn)定性好等性能優(yōu)勢，可直接用于高溫窯爐的工作襯。但由于氧化鋁空心球的骨料顆粒呈圓球形，顆粒之間為點(diǎn)結(jié)合，不能形成具有網(wǎng)絡(luò)交錯、相互鑲嵌的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)，顆粒之間的結(jié)合力差，抗剝落性也較差，因此限制了其使用范圍。
而使用硅溶膠作結(jié)合劑的氧化鋁空心球澆注料，利用硅溶膠中納米SiO?與澆注料中Al?O? 在高溫下反應(yīng)而在基質(zhì)中形成的具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的莫來石晶體，克服了水泥結(jié)合氧化鋁空心球澆注料之間結(jié)合能力差的缺點(diǎn)，使?jié)沧⒘喜坏哂辛己玫哪透邷匦阅?還具有較好的常溫、高溫強(qiáng)度，良好的抗熱震性和體積穩(wěn)定性，從而具有優(yōu)異的使用性能。
山東某鋼廠為了提高鋼包蓋的保溫性能和使用壽命，曾采用水泥結(jié)合剛玉空心球澆注料，但在使用過程中出現(xiàn)大塊剝落，嚴(yán)重影響了包蓋的使用效果。當(dāng)水泥結(jié)合替換為硅溶膠結(jié)合時，使用結(jié)果表明該澆注料施工性能良好，使用過程無明顯的剝落掉塊現(xiàn)象。根據(jù)使用結(jié)果統(tǒng)計(jì)，在鋼包包蓋上硅溶膠結(jié)合剛玉空心球澆注料的使用壽命是水泥結(jié)合澆注料的2倍多。
6、結(jié)語
硅溶膠結(jié)合的不定形耐火材料施工性能好，實(shí)現(xiàn)了快速養(yǎng)護(hù)、脫模，節(jié)省了施工時間，提高了施工效率；硅溶膠結(jié)合的澆注料具有良好的抗爆裂性能，體積穩(wěn)定性和抗熱震性能好，可實(shí)現(xiàn)澆注料的快速烘干，節(jié)省了時間，也省了烘烤所需的能源；硅溶膠結(jié)合的耐火材料具有良好的結(jié)合強(qiáng)度，優(yōu)異的抗渣侵蝕性能，因此具有良好的使用性能。
文章源：
高風(fēng)云, 張東景. 硅溶膠在不定形耐火材料中的應(yīng)用[C]// 耐火材料綜合學(xué)術(shù)年會. 2015.