剛玉基澆注料具有優(yōu)良的高溫性能，在冶金、建材、石油化工等行業(yè)廣泛應(yīng)用。鋁酸鈣水泥對(duì)剛玉基澆注料性能的影響一直受到人們的關(guān)注。一般通過加入少量SiO2微粉來提高剛玉基澆注料的流動(dòng)性，進(jìn)而改善其性能，這就使得在使用過程中較低的溫度下生成如黃長(zhǎng)石和鈣長(zhǎng)石等低熔點(diǎn)物相，影響了澆注料的高溫性能。尤其是在強(qiáng)化還原氣氛中，SiO2通過氣相揮發(fā)導(dǎo)致材料損毀。因此，應(yīng)盡量減少甚至不引入SiO2。新型分散劑的應(yīng)用以及澆注料技術(shù)的發(fā)展，使人們成功研制了高性能、無SiO2的剛玉基澆注料，但對(duì)這種剛玉基澆注料的研究較少且多側(cè)重于常溫強(qiáng)度，為此，本工作較系統(tǒng)地研究了水泥加入量對(duì)剛玉基澆注料性能的影響。
1 試驗(yàn)
試驗(yàn)原料為：電熔白剛玉顆粒（w（Al2O3）≥98.9%）及細(xì)粉（w（Al2O3）≥99.1%）；α—Al2O3微粉（w（Al2O3）≥98.9%，d50=1.8um）；Alphabond300（w（Al2O3）≥88%，w（CaO）≤0.1%，d50=6um）；純鋁酸鈣水泥（Secar71，w（Al2O3）=69.4%，w（CaO）=29.8%）等。
骨料與細(xì)粉的質(zhì)量比固定為70:30，骨料臨界粒度為5mm，采用多級(jí)粒度配料。試驗(yàn)中，骨料部分固定不變，改變基質(zhì)料中各成分的比例（見表1）。澆注料基質(zhì)的流變性用NXS—11A型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試，試驗(yàn)時(shí)加水量為基質(zhì)的15%。澆注料加水量為4.2%，振動(dòng)澆注成25mm×25mm×125mm的試樣，室溫養(yǎng)護(hù)24h后脫模，經(jīng)110℃烘干后分別與800℃、1100℃、1400℃和1600℃保溫3h煅燒。燒后試樣一部分用于測(cè)試常溫性能（顯氣孔率、體積密度和先變化率），一部分在相對(duì)應(yīng)的熱處理溫度下（1600℃燒后試樣除外）測(cè)其熱態(tài)抗折強(qiáng)度，其中1600℃燒后試樣的熱態(tài)抗折強(qiáng)度在1400℃下測(cè)定。
表1 試驗(yàn)所用澆注料基質(zhì)的配比（w）
考慮澆注料首次使用后，其礦相和結(jié)構(gòu)已基本形成，隨后澆注料長(zhǎng)時(shí)間在其礦相和結(jié)構(gòu)已較穩(wěn)定條件下使用，因此，本試驗(yàn)用1600℃燒后的試驗(yàn)進(jìn)行了抗熱震和抗渣試驗(yàn)。
用熱震后的抗折強(qiáng)度保持率來評(píng)價(jià)澆注料的抗熱震性能。將1600℃燒后試樣一組測(cè)其冷態(tài)抗折強(qiáng)度R0，一組經(jīng)不同溫度水冷1次后測(cè)其殘余抗折強(qiáng)度Rr，用Rr、R0計(jì)算其強(qiáng)度保持率，熱震溫差分別為400℃、550℃、700℃、900℃和1100℃。
抗渣試驗(yàn)采用靜態(tài)坩堝法，坩堝外形尺寸為Φ50mm×50mm，內(nèi)孔為Φ20mm×25mm。坩堝經(jīng)1600℃保溫3h預(yù)燒，裝渣后在1600℃保溫3h進(jìn)行渣蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)用渣為某鋼廠鋼包精煉渣，其化學(xué)組成（w）為：CaO 54.5%，SiO2 19.9%，Al2O3 10.0%，MgO 8.7%，F(xiàn)e2O3 5.0%，TiO2 0.9；w（CaO）：w（SiO2）=2.74。
2 結(jié)果與討論
2.1 澆注料基質(zhì)的流變性
不同水泥含量澆注料基質(zhì)的流變曲線。鋁酸鈣水泥含量一定時(shí)，隨著剪切速率的增加，澆注料基質(zhì)的剪切應(yīng)力逐漸增加，曲線斜率越來越大，即基質(zhì)的粘度隨剪切速率的增加而增大，表明澆注料的基質(zhì)屬脹性流體；剪切速率一定時(shí)，隨水泥加入量增大，對(duì)應(yīng)的粘度增加，澆注料流動(dòng)性變差，說明水泥加入量增大對(duì)澆注料流動(dòng)性不利。
2.2 剛玉基澆注料的常溫性能
抗渣試驗(yàn)采用靜態(tài)坩堝法，坩堝外形尺寸為Φ50mm×50mm，內(nèi)孔為Φ20mm×25mm。坩堝經(jīng)1600℃保溫3h預(yù)燒，裝渣后在1600℃保溫3h進(jìn)行渣蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)用渣為某鋼廠鋼包精煉渣，其化學(xué)組成（w）為：CaO 54.5%，SiO2 19.9%，Al2O3 10.0%，MgO 8.7%，F(xiàn)e2O3 5.0%，TiO2 0.9；w（CaO）：w（SiO2）=2.74。
2 結(jié)果與討論
2.1 澆注料基質(zhì)的流變性
不同水泥含量澆注料基質(zhì)的流變曲線。鋁酸鈣水泥含量一定時(shí)，隨著剪切速率的增加，澆注料基質(zhì)的剪切應(yīng)力逐漸增加，曲線斜率越來越大，即基質(zhì)的粘度隨剪切速率的增加而增大，表明澆注料的基質(zhì)屬脹性流體；剪切速率一定時(shí)，隨水泥加入量增大，對(duì)應(yīng)的粘度增加，澆注料流動(dòng)性變差，說明水泥加入量增大對(duì)澆注料流動(dòng)性不利。
2.2 剛玉基澆注料的常溫性能
不同處理后試樣的顯氣孔率、體積密度以及線變化率。由圖可以得出；隨著水泥加入量增加，烘干試樣的顯氣孔率逐漸降低，這主要是由于水泥量的增加生成了更多的水化物，填充了氣孔；800~1400℃燒后，隨著水泥加入量的增加，試樣的顯氣孔率和體積密度均略有降低，線變化率基本保持不變；1600℃燒后，隨著水泥加入量的增加，試樣的顯氣孔率明顯增加，體積密度呈直線下降，線變化率由收縮變?yōu)榕蛎洝?/FONT>
不同溫度燒后澆注料的基質(zhì)的XRD圖譜。可以看出：隨熱處理溫度的提高，基質(zhì)中除剛玉和β—Al2O3之外的物相變化為：七鋁酸十二鈣→二鋁酸鈣→二鋁酸鈣+六鋁酸鈣→六鋁酸鈣。燒成溫度由1400℃提高到1600℃時(shí)，六鋁酸鈣的數(shù)量明顯增多。六鋁酸鈣的開始生成溫度為1300~1400℃，溫度升高，其生成速度加快，1600℃時(shí)六鋁酸鈣結(jié)晶程度達(dá)到最好，其結(jié)晶形態(tài)為六方板狀。由圖6可以看出隨水泥加入量的增加，生成六鋁酸鈣的數(shù)量增加。六鋁酸鈣的生成過程伴隨有體積膨脹，隨水泥加入量的增加，生成了更多的六鋁酸鈣，膨脹就越明顯。
不同溫度處理后澆注料試樣的常溫抗折強(qiáng)度。可以看出；110℃烘干后，隨水泥加入量的增加強(qiáng)度明顯提高，由不含水泥的5.4MPa逐漸增加到水泥加入量為3.75%的17.2MPa。800℃燒后澆注料試樣的常溫強(qiáng)度主要是烘干強(qiáng)度的延續(xù)，隨水泥加入量的增加而提高，其強(qiáng)度在本試驗(yàn)所有處理溫度中最低，這主要是常溫下的水化結(jié)合物由于結(jié)構(gòu)水的脫去而被破壞，而新的陶瓷結(jié)合由于溫度偏低尚未形成。1100℃、1400℃和1600℃燒后試樣的冷態(tài)抗折強(qiáng)度隨水泥加入量的增加呈明顯的變化規(guī)律，即線減小后增大的變化趨勢(shì)，其中水泥加入量為0.75%時(shí)為最小值。1100℃和1400℃燒后試樣的常溫強(qiáng)度基本相當(dāng)。1600℃燒后強(qiáng)度與1400℃相比均有大幅度提高，說明1400℃到1600℃之間，隨溫度提高試樣的燒結(jié)程度明顯改善。
2.3 剛玉基澆注料的熱態(tài)抗折強(qiáng)度
不同溫度處理后的試樣在不同溫度下的熱態(tài)抗折強(qiáng)度。可以看出，與常溫強(qiáng)度相似，800℃下試樣的強(qiáng)度為水合結(jié)合的延續(xù)，隨水泥加入量增加，熱態(tài)抗折強(qiáng)度逐漸增加，其數(shù)值在所有處理溫度中最小。1100℃及1400℃下（1400℃和1600℃燒后的試樣）的熱態(tài)抗折強(qiáng)度隨水泥加入量增加，均表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，水泥加入量為0.75%時(shí)強(qiáng)度最小。熱處理后不同水泥含量試樣在1100℃時(shí)的熱態(tài)抗折強(qiáng)度均達(dá)到最大值，這是由于氧化鋁微粉的加入促使試樣在較低溫度下開始燒結(jié)，而且1100℃時(shí)試樣中幾乎沒有液相，因而具有較高的強(qiáng)度。1400℃下由于生成少量液相使材料的熱態(tài)抗折強(qiáng)度降低。而預(yù)燒溫度由1400℃提高到1600℃時(shí)，由于燒結(jié)程度的提高，不同水泥含量試樣的熱態(tài)抗折強(qiáng)度均有所提高。
2.4剛玉基澆注料的抗熱震性能
不同熱震溫差下熱震1次后的殘余抗折強(qiáng)度以及強(qiáng)度保持率。結(jié)果表明，隨熱震溫差的增加，含水泥試樣的殘余強(qiáng)度以及強(qiáng)度保持率均呈下降趨勢(shì)。熱震溫差由400℃到700℃時(shí)，其強(qiáng)度以及強(qiáng)度保持率下降較快；700℃到900℃之間下降較平緩；900℃到1100℃時(shí)又出現(xiàn)較大幅度的下降。由1100℃熱震后的殘余強(qiáng)度以及強(qiáng)度保持率可以看出，隨水泥加入量的增加，澆注料的抗熱震性能逐漸提高，CA0、CA1、CA3和CA5的強(qiáng)度保持率分別為27.4%、32.5%、32.0%和34.6%。特別是水泥加入量為3.75%的CA5樣，初始強(qiáng)度與不含水泥的CA0相當(dāng)，熱震后強(qiáng)度為CA0的1.3倍。
剛玉基澆注料的抗渣性能
渣蝕后坩堝的剖面。可以看出，試驗(yàn)后坩堝中殘?jiān)牧緾A0與CA5基本相當(dāng)，遠(yuǎn)多于CA3和CA1。CA1中的渣已完全與坩堝反應(yīng)，坩堝上不內(nèi)壁呈蜂窩狀，上部明顯向外張開并有部分裂紋。CA3坩堝有極少量殘?jiān)旧蠞B透了整個(gè)坩堝上部的側(cè)壁，其內(nèi)壁較疏松，但變形程度明顯好于CA1。坩堝CA0和CA5的抗渣性能明顯優(yōu)于CA1和CA3，剩余渣量大，坩堝邊界清晰，僅剛過上部三相界面處出現(xiàn)很少侵蝕和少量滲透，而且CA0略好于CA5。
討論
材料的性能取決于其化學(xué)組成和組織結(jié)構(gòu)，兩者中任何一個(gè)的改變必將引起材料性能的改變。不含水泥的剛玉基澆注料CA0為單一的Al2O3系，因而具有優(yōu)良的抗渣性能。水泥加入到剛玉基澆注料中，一方面使材料的化學(xué)組成由單一的Al2O3系變?yōu)锳l2O3—CaO系，原料中少量雜質(zhì)在高溫下產(chǎn)生的液相組成也由于CaO的引入而改變，使其出現(xiàn)液相的溫度降低；另一方面，在無SiO2存在的條件下水泥引入的CaO與Al2O3反應(yīng)生成板狀六鋁酸鈣，進(jìn)而使材料的各種性能得到改善。當(dāng)水泥加入量較少時(shí)，澆注料化學(xué)組成的影響占主導(dǎo)因素。隨水泥加入量的增加，生成六鋁酸鈣數(shù)量增加，六鋁酸鈣多生長(zhǎng)在剛玉顆粒表面，和剛玉產(chǎn)生很好的結(jié)合，組織結(jié)構(gòu)的影響逐漸起主導(dǎo)作用。因此，溫度高于1100℃后，澆注料的冷態(tài)和熱態(tài)強(qiáng)度均出現(xiàn)下降低后升高的變化趨勢(shì)。抗渣性能也出現(xiàn)當(dāng)水泥加入量較少時(shí)反而變差，隨水泥含量的增加而逐漸提高的變化規(guī)律。另外隨水泥加入量的增加，生成六方板狀的六鋁酸鈣，使材料的抗熱震性能得到改善。
結(jié)論
（1）水泥加入量的增加，使剛玉基澆注料基質(zhì)的剪切應(yīng)力增大，基質(zhì)粘度增加，降低了澆注料的流動(dòng)性能。
（2）剛玉基澆注料110℃和800℃處理后的棱、熱態(tài)強(qiáng)度均隨水泥加入量的增加而逐漸提高，1100℃、1400℃和1600℃燒后的冷、熱態(tài)強(qiáng)度均隨水泥加入量的增加先減少后增大，其中水泥加入量為0.75%時(shí)值最小。
（3）隨水泥含量的增加，澆注料中生成更多的六鋁酸鈣，提高了抗熱震性。加入少量水泥使?jié)沧⒘系目乖阅芙档停S水泥加入量增加澆注料的抗渣性能逐步改善，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，水泥加入量為3.75%澆注料的抗渣性能和不含水泥澆注料基本相當(dāng)。
