以密剛玉和莫來石為骨料，白剛玉粉、礬土粉及α-Al2O3(≤0.043mm)微粉為細粉，采用硅溶及復合外加劑作結合劑的耐火澆注料，該硅溶膠結合澆注料制成的試樣分別經800℃×3h、1100℃×3h和1400℃×3h熱處理后，檢測各試樣相應的理化指標。結果表明：硅溶膠結合澆注料經1100℃×3h處理后的抗折強度和耐壓強度沒有出現裂紋，測試其耐壓強度損失率僅為18.7%;同時該澆注料還可進行快速烘烤和良好的高溫施工性能，簡化了干燥和烘烤工藝，有效的縮短了施工養護時間、烘烤時間和鋼廠高爐的休風時間，從而提高鋼廠經濟效益。
硅溶膠是粒徑從幾納米到數十納米的多聚硅酸分散體系，溶膠粒子內部結構為硅氧烷(-Si-O-Si-)網絡，表面層由許多硅烷醇基(-SiOH)和羥基(-OH)所覆蓋。當硅溶膠與Al2O3微粉混合時，膠體粒子可吸附在Al2O3顆粒表面，形成單層飽和分布，同時填充于Al2O3顆粒間隙，因此分散性、滲透性較好。通過干燥或燒結處理，膠體粒子以化學鍵(-Si-O-Si)相結合，形成穩定的空間網絡結構，將Al2O3顆粒牢固結合在一起，并在Al2O3顆粒表明形成納米材料的粘結、固化和成型特性。經試驗總結分析該材料具有如下特性:
(1)無需養護便可快速烘烤：溶膠結合澆注料是膠體凝膠而產生結合耐火材料，溶膠凝膠受pH值影響較大，調節pH值可有效的控制材料滿足施工要求的固化時間。材料內部水化凝膠結晶，成型時產生的一些微氣孔可有效的排出材料內部快速烘烤時產生的水蒸氣;
(2)良好的體積穩定性及抗熱震穩定性，經大量實驗驗證，溶膠結合材料在800℃×3h燒后線變化基本為零，1400℃×3h燒后線變化率僅在+0.2%左右。很好的滿足了工業窯爐生產中對耐火材料體積穩定性的要求，同時我們對干燥后70mm×70mm×70mm的試樣進行了1100℃≒水冷抗熱震性的對比測試。以水泥結合的試樣經四十幾次熱震循環就完全開裂，而溶膠結合的熱震循環100次后基本沒有出現裂紋，把經熱震100次后的試樣110℃測試其耐壓強度，多次結果表明，溶膠結合的材料耐壓強度保持率(熱震100次后的耐壓強度與熱震前耐壓強度的比值×100%)在80%以上;
(3)良好抗CO侵蝕性能;為了直接體現溶膠結合耐火澆注料的抗CO侵蝕性能的優越性，我們用傳統的水泥結合耐火澆注料與溶膠結合澆注料進行了對比，把兩種形同材質的澆注料同時放入到純CO氣氛中進行500℃的連續熱處理，其結果是：水泥結合的澆注料在經熱處理50h后試樣就破裂為兩半，100h后試樣出現一處大塊剝落，有大顆粒碳沉積，150h后出現數處裂紋，200h有大塊剝落，多出出現裂紋，表明其已受CO嚴重侵蝕。而溶膠結合的澆注料50h后試樣表面出現一處碳沉積，100h后試樣表面出現一片剝落，而150h僅有出現幾處開裂，而200h后試樣整體變黑，碳黑沉積在試樣的各個氣孔中，試樣從表面到內部受到嚴重的蝕損。
2 試驗及結果分析
隨著資源節約和環境友好和諧社會發展的需要，高爐的高效與長壽是現代煉鐵所追求的目標，而有效的爐體維護是實現爐體高效與長壽的關鍵。目前我國高爐爐體快速修補技術已得到推廣應用。但是，目前使用的修補材料大多采用樹脂及焦油作結合劑，這類材料常溫難以固化，體積穩定性較差，中低溫烘烤時還產生大量有害氣體。為了有效改善目前修補材料的性能，增加修補材料新品種，我們研制了溶膠結合耐火材料。試驗所用主要原料為致密剛玉澆注料(w(Al2O3)≥98.6%)，莫來石骨料(w(Al2O3)≥60%)粒度均為5~8、3~5、1~3及<1mm，白剛玉粉(w(Al2O3)≥99.40%，0.043mm)，α-Al2O3微粉及礬土粉(w(Al2O3)≥60%，0.043mm);α-Al2O3微粉及礬土粉(w(Al2O3)≥60%，0.043mm);結合劑用硅溶膠及復合添加劑。
按一定的質量比稱取各相應的原料放入攪拌鍋中均勻，并分別添加適量的復合添加劑和結合劑。經試驗測定該材料的流動速度為107.8%(跳桌法)，能較好的滿足材料的施工性能要求。同時通過對材料現場澆注過程的分析，我們采用相應的模擬試驗，把攪拌好的料直接放入一定溫度的40mm×40mm×160mm模具內振動成型，把成型好的試樣及其模具一起放入烘箱進行60℃×3h的烘烤后脫模，此階段相當于材料的澆注施工中，因為不斷鋪料時，材料中含自由水分的揮發，有效的降低了材料施工環境的溫度，而材料在施工完成后，水分逐漸排出，溫度開始升高，因此我們烘烤2個小時直接進行110℃烘烤，經過約2h烘烤后，材料內部自由水分基本完全排出(通過對試樣在110℃經2h、4h、6h烘烤后，測得試樣的質量在2h后變化不大，4h基本無變化)，其后就對試樣分別進行815、1100和1400℃保溫3h的熱處理，相當于高爐修補后的復風。其理化指標見表2。
表2 不同溫度熱處理后試樣常溫性能的理化指標
按上面相同的質量比分別采用溶膠和水泥結合攪拌均勻的材料，放入尺寸分別為40mm×40mm×160mm和70mm×70mm×70mm常溫模具內澆注成型，自然固化后脫模，對試樣進行110℃×24h的干燥，然后將該試樣于高溫成型的試樣一起分別進行815、1100和1400℃保溫3h的熱處理。其理化指標見表3。
表3 不同溫度熱處理后試樣常溫性能的理化指標
從表3的理化數據來看，溶膠結合澆注料抗折和耐壓強度隨熱處理溫度的升高和明顯增加，這與水泥結合澆注料相比優點明顯，其主要原因是硅溶膠中納米SiO2的反應活性極高，并且膠體粒子吸附在活性α-Al2O3顆粒表面，并填充于α-Al2O3顆粒間隙，當二者之間充分接觸，降低了莫來石化溫度，從試樣經1100℃與1400℃熱處理后的理化指標差別不大，可知此澆注料經1100℃熱處理后已形成較好的燒結。
通過表2與表3的理化指標對比可知，材料在高溫狀態下成型對材料的性能影響不大，說明該材料在保證使用性能的同時，在短暫的休風時的高溫條件下對高爐進行及時有效的修補，防止高爐事故惡化，有效的提高了高爐的高效與長壽，為鋼廠爭取更高的經濟效益。
另外我們對采用溶膠結合和水泥結合澆注料制成70mm×70mm×70mm干燥后的試樣進行了1100℃水冷抗熱震性的對比檢測。結果表明，以水泥結合的試樣經過100次后基本沒有出現裂紋。所以，硅溶膠結合試樣的抗熱震性明顯優于水泥結合的。圖1為1100℃處理后試樣的SEM照片。
圖1 1100℃處理后試樣的SEM照片(a)水泥集合(b)硅溶膠結合
從圖1可以看出；在1100℃礬土水泥結合的剛玉-莫來石澆注料中，基質基本沒形成燒結，大小晶粒孤立存在，相互之間存在較大的氣孔，這樣的材料其導熱系數就會較低。因此，當材料受急冷急熱變化時在材料內部就產生較大的溫度梯度，材料所受的熱應力也就越大，經過多次熱震循環，材料基質較易因熱應力循環疲勞產生裂紋，裂紋產生后，在熱震循環中易形成裂紋尖端應力集中，由于材料又沒有形成較好的燒結，裂紋較易擴展，最終導致材料的開裂。所以，水泥結合的剛玉-莫來石澆注料的抗熱震性較差，在水冷熱震循環中不到50次就已經開裂。相對比溶膠結合澆注料具有良好的抗熱震穩定性原因是：(1)溶膠結合材料的體積穩定性極好，因此材料在急冷急熱時材料內部不易產生過大的形變而產生應力集中；(2)溶膠中的活性較高的納米SiO2和α-Al2O3微粉充分接觸，大大的降低了材料燒結溫度，因此在1100℃熱處理下材料較易形成莫來石化燒結反應，形成有效燒結，材料內部產生良好的網絡結構，同時材料內部不同結晶體因熱膨脹系數不一致引起的熱膨脹失配產生較多的微裂紋，已形成穩定的結構及其產生微裂紋不僅能吸收材料的彈性應變能，使驅動主裂紋擴展的能量較低，都能有效的阻止裂紋的擴展，因此該硅溶膠結合澆注料試樣經過100次熱震循環后基本沒有出現裂紋，對熱震后的試塊進行了110℃×24h烘干，其耐壓強度在100MPa以上，耐壓保持率高達近80%(熱震100后的耐壓強度與熱震前耐壓強度的比值×100%)。