轻质骨料种类对高铝浇注料性能的影响

郭文辉 薄 钧 袁 波 郝 娴 张 雷 罗 天

1）中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司先进耐火材料国家重点实验室 河南洛阳471039

2）中钢洛耐科技股份有限公司 河南洛阳471003

能源、环境问题的日趋严重，使得耐火材料的轻量化和隔热性能越来越受重视［1－4］。为了提高窑炉的保温性能并减少其蓄热损失，常常使用各种轻质隔热保温耐火材料［5－7］。近年的研究热点是通过引入轻质骨料来实现耐火材料的轻量化和隔热效果［8－9］。

制备轻质隔热材料的方法之一是使用轻质耐火骨料。国内使用较广的轻质骨料主要有蛭石、珍珠岩、陶粒等［10－11］。但这些轻质骨料的耐火度和强度较低，使用范围受限。目前，有关轻质高强耐火骨料的研究已有报道［12－14］，但有关其实际应用的报道较少。本工作中，研究了轻质骨料种类对高铝浇注料性能的影响。

1 试验

1.1 试验原料

试验原料有：轻质微孔莫来石颗粒（粒度8～5、5～3、3～1、≤1 mm）及细粉（粒度≤0.08 mm），高铝多孔熟料颗粒（粒度8～5、5～3、3～1、≤1 mm）及细粉（粒度≤0.08 mm），氧化铝空心球（粒度5～3、3～1、≤1 mm），M70莫来石细粉（粒度≤0.08 mm），堇青石颗粒（粒度3～1、≤1 mm），α-Al2O3微粉，SiO2微粉，铝酸钙水泥（CA－75G），高效减水剂。主要原料的理化性能见表1。

表1 主要原料的理化性能

1.2 试样制备

按表2的试验配方配料，在料袋中预混后，倒入NRJ－411A型水泥砂搅拌机中干混90 s，再加水湿混180 s，然后在HCZT型振动台上振动浇注成型为40 mm×40 mm×160 mm的样坯。室温养护24 h后脱模，在110℃干燥24 h，然后在空气气氛中于1 250℃保温3 h热处理。

表2 试验配方

1.3 性能检测

按GB/T 2997—2015检测试样的显气孔率和体积密度，按GB/T 3001—2017检测试样的常温抗折强度，按GB/T 5072—2008检测试样的常温耐压强度，按GB/T 3002—2017检测试样的高温抗折强度（测试温度1 100℃，保温时间0.5 h），按GB/T 5988—2007检测试样的加热永久线变化，按照YB/T 4130—2017（水流量平板法）测试试样的热导率（350、600和1 000℃）。

用X射线衍射仪分析试样的物相组成，用扫描电子显微镜观察试样的显微结构。

2 结果与讨论

2.1 物相组成和显微结构

1 250℃保温3 h热处理后试样的XRD图谱见图1。可以看出：试样A1和A2的主要物相为莫来石和堇青石，试样A3的主要物相为刚玉和堇青石；三者均含有一定量的钙长石。

图1 1 250℃保温3 h热处理后试样的XRD图谱

1 250℃保温3 h热处理后，以氧化铝空心球为骨料制备的试样A3的热导率高，不符合试验预期。因此仅对试样A1和A2进行显微结构分析，其BSE照片见图2。可以看出：1 250℃保温3 h热处理后试样A1和A2的显微结构差异较大：以轻质微孔莫来石为骨料制备的试样A1的气孔孔径较小，气孔大小和分布较均匀，贯通气孔较多；而以高铝多孔熟料为骨料制备的试样A2的微小气孔数量较少，气孔大小和分布很不均匀，且部分区域烧结不良，结构疏松。

图2 1 250℃保温3 h热处理后试样A1和A2的BSE照片

2.2 性能

1 250℃保温3 h热处理后试样的显气孔率和体积密度见图3。可以看出：试样的显气孔率按A3、A1、A2的顺序减小。高温热处理后试样的显气孔率受配料的粒度级配、骨料的致密度和试样的烧结程度等共同影响。试样A3所用的氧化铝空心球的显气孔率显著大于轻质微孔莫来石骨料和高铝多孔熟料骨料的，因此其显气孔率最大。试样A2的显气孔率比试样A1的低，主要是因为轻质微孔莫来石的显气孔率大于高铝多孔熟料的；还可能是因为试样A2所用的高铝多孔熟料的杂质含量比试样A1所用的轻质微孔莫来石的高，试样A2在热处理过程中产生的液相比试样A1的多，其烧结致密化程度比试样A1的高。从图3还可以看出，各试样的体积密度相差不大，并且均＜1.8 g·cm－3。

图3 1 250℃保温3 h热处理后试样的显气孔率和体积密度

烘干及1 250℃保温3 h热处理后试样的常温耐压强度和常温抗折强度见图4。

图4 烘干及热处理后试样的常温抗折强度和常温耐压强度

由图4可以看出：烘干后，试样的常温耐压强度和常温抗折强度均按A3、A1、A2的顺序减小。在试样的粒度级配、结合体系、养护工艺等基本相同的情况下，其烘干强度主要取决于骨料的强度。因为空心球的强度高于轻质微孔莫来石骨料和高铝多孔熟料骨料的，所以试样A3的常温耐压强度和常温抗折强度大于试样A1和A2的。1 250℃保温3 h热处理后，试样A2的常温耐压强度和常温抗折强度均大于试样A1和A3的；试样A3的常温耐压强度大于试样A1的，但试样A3的常温抗折强度略小于试样A1的。烧后试样的常温强度既受其骨料本征强度的影响，也受试样烧结程度的影响。如前所述，试样A2在1 250℃保温3 h热处理过程中产生的液相多，烧结致密化程度高。可能因为烧结致密化程度高对强度的影响超过了骨料本征强度的影响，因此试样A2的强度大于试样A1和A3的。试样A3的常温耐压强度大于试样A1的，则主要是受骨料本征强度的影响。至于试样A3的常温抗折强度略小于试样A1的，则可能是因为抗折强度对试样内部缺陷很敏感，数据离散性大。

此外，从图4还看出，1 250℃保温3 h热处理后，试样A1和A2的常温耐压强度和常温抗折强度均大于它们的烘干后强度，而试样A3的常温耐压强度和常温抗折强度则均小于其烘干后强度。分析认为：试样A1和A2的的杂质含量较高，热处理后产生的陶瓷结合强度超过了水泥结合强度，因此其热处理后强度大于其烘干后强度。试样A3的热处理后强度小于其烘干后强度的原因是，热处理后试样基质细粉之间以及基质与氧化铝空心球之间的结合强度均低于烘干后试样中水泥的结合强度。试样A3中含有25%（w）的接近理论组成且杂质含量不高的预合成莫来石（M70），它在热处理过程中基本上没有原位莫来石生成，因液相少其烧结程度也低。因此，试样A3基质细粉间的结合强度低，这种基质与w（Al2O3）＝98.42%的高纯度氧化铝空心球之间的结合强度可能会更低。同时，以刚玉为主晶相的氧化铝空心球的热膨胀系数大于莫来石的（分别大约为7.8×10－6和5.3×10－6K－1），在从热处理温度1 250℃降至常温的过程中，氧化铝空心球的收缩比以莫来石为主物相的基质的收缩大，二者之间容易出现分离，导致二者之间的结合强度进一步下降。

1 250℃保温3 h热处理后试样的高温抗折强度见图5。由图可知：三种试样的高温抗折强度差别不大，并且都比较显著地大于其常温抗折强度；试样A2的高温抗折强度略高于试样A1和A3的，不像常温抗折强度那样比较显著地高于试样A1和A3的。试样A1和A2的高温抗折强度大于其常温抗折强度可能是因为，它们在1 100℃的高温抗折试验温度下继续生成原位莫来石，并且莫来石晶粒继续长大，这二者对试样高温结构强度的正向影响超过了液相的负向影响。由于试样A2中的液相较多，液相的负向影响相对较大，导致其高温抗折强度只略高于试样A1和A3的，而不像常温抗折强度那样显著高于试样A1和A3的。试样A3的高温抗折强度大于其常温抗折强度，则可能是因为，在加热至1 100℃并保温一定时间的过程中，氧化铝空心球与基质之间原来在烧后冷却过程中出现的分离得以部分弥合，这对试样高温结构强度的正向影响超过了液相的负向影响。

图5 1 250℃保温3 h热处理后试样的高温抗折强度

1 250℃保温3 h热处理后试样的线变化率见图6。由图可见：试样A1和A2分别发生0.6%和0.7%的收缩，试样A3则发生近0.2%的膨胀。这是因为：高铝多孔熟料和轻质微孔莫来石中都含有较多的杂质，热处理过程中生成液相，促进了试样的烧结收缩；氧化铝空心球中杂质较少，在热处理过程中Al2O3和SiO2反应生成莫来石引起的体积膨胀起主导作用。

图6 试样的加热永久线变化

1 250℃保温3 h热处理后试样在不同温度下的热导率见图7。材料的热导率不仅与试样的物相组成和孔隙率有关，还与孔隙的大小和分布有关。由于轻质微孔莫来石的气孔率比高铝多孔熟料的大，微孔数量比高铝多孔熟料的多，并且气孔分布更加均匀，因此试样A1的热导率比试样A2的小；氧化铝空心球气孔率虽然很大，但气孔孔径较大，孔内气体的对流传热导致其热率导较大。

图7 不同轻质骨料对浇注料热导率的影响

3 结论

（1）使用不同轻质骨料的三种浇注料的烘干强度取决于轻质骨料的强度，高温热处理后的强度还与试样的烧结程度有关；热导率主要受骨料的致密度以及气孔的大小和分布影响。

（2）比较发现，以微孔轻质莫来石为骨料制备的浇注料的常温强度和高温抗折强度较大，热导率较低。