浇注料中SiO2微粉、Al2O3微粉和纯铝酸钙水泥的质量分数分别固定为5%、2%和0.5%。浇注料除结合系统外的组成见表1。配方1的颗粒和细粉全部为棕刚玉, 配方2和3中分别加入了4%和8%的特级矾土细粉, 配方4～8中特级矾土由细粉到粗颗粒逐步取代更多棕刚玉, 配方8中颗粒和细粉全部采用特级矾土。按照浇注料传统的设计理念, 浇注料基质原料等级通常高于骨料的, 因此设计了以特级矾土为颗粒、棕刚玉为细粉的配方9, 以便和配方1、5和8进行对比。浇注料振动成型时, 通过调整加水量使不同配方浇注料的流动性彼此接近, 各配方所需加水量也见表1。由表1可以看出:在细粉部分用特级矾土取代棕刚玉 (配方1～5) 时, 对浇注料加水量基本上没有影响;在颗粒部分用特级矾土取代棕刚玉 (配方6～8) 时,浇注料加水量明显增多。这是由于与棕刚玉颗粒相比, 特级矾土颗粒的气孔率较高, 更多的水被吸收到骨料的气孔中。

       (3) 少量特级矾土细粉的加入 (其质量分数由0到12.5%) 使浇注料110 ℃烘干强度略有增加。以特级矾土为骨料、棕刚玉为细粉的配方9烘干后的强度最低。随特级矾土加入量增加, 浇注料1 250 ℃烧后的冷态抗折强度逐渐降低, 配方9的烧后强度和配方7以及配方8的相当。

       浇注料在1 250 ℃下的热态抗折强度见图1。随着特级矾土加入量的增加, 浇注料的热态抗折强度显著提高, 由配方1的5.3 MPa提高到配方4的22.1 MPa;进一步增加矾土加入量, 热态抗折强度缓慢降低, 由配方5的19.1 MPa降低到配方8的14.9 MPa, 但仍明显高于颗粒和细粉全部为棕刚玉的配方1;配方9 (颗粒为特级矾土, 细粉为棕刚玉) 的热态抗折强度为8.3 MPa, 仅高于配方1的。可见, 在本试验条件下, 特级矾土的加入能显著提高无水泥浇注料的热态抗折强度, 其最佳加入质量分数为12.5%左右。按照传统理念设计的配方9 的热态抗折强度反而明显低于配方8 (颗粒和细粉全部用特级矾土) , 即在矾土基无水泥浇注料基质中引入棕刚玉对热态抗折强度不利。

       由Al2O3-SiO2相图[7]可知, 1 260 ℃左右体系中有可能生成w (Al2O3) =18%的亚稳态液相, 之后该液相在持续冷却过程中析出莫来石。文献认为, 在Al2O3-SiO2系浇注料中, 即使微量CaO也会导致低熔点相的出现。本试验条件下, 微量CaO以及SiO2微粉引入杂质的存在, 降低了浇注料中低共熔点相出现的温度,冷态和热态抗折强度的差异也充分说明了在1 250 ℃下浇注料中存在少量液相。因此, 本试验条件下莫来石的生成机制应属于溶解-沉淀, 即:SiO2微粉在少量杂质氧化物的作用下首先生成富含SiO2的液相, 浇注料中含Al2O3的物质 (包括棕刚玉、特级矾土和Al2O3微粉) 向液相中溶解, 达到饱和时开始析出莫来石晶体。

       由于棕刚玉为电熔法生产的原料, 主晶相为刚玉且晶粒较粗大, 化学性质比较稳定;而特级矾土为烧结原料, 矿相组成为刚玉和莫来石, 反应活性较高,容易溶解到富硅液相中, 且其中的莫来石可起到类似于晶核的作用。因此, 特级矾土的加入有利于莫来石生成, 增强了浇注料结构, 少量特级矾土的加入就能够显著提高材料的热态抗折强度。比较试样1、5、8和9可以看出:1 250 ℃烧后, 全部采用棕刚玉的试样1中几乎没有晶须状莫来石;采用棕刚玉颗粒、特级矾土细粉的试样5中形成很好的莫来石网络;全部采用特级矾土的试样8虽然加水量比试样5增加了26.3%, 而且杂质含量也有所增加, 但其热态抗折强度仅稍低于试样5, 这主要取决于其良好的莫来石网络;按照传统理念设计配方9的热态抗折强度仅高于试样1, 这是由于其仅在矾土颗粒周围生成了少量的莫来石。可见, 无水泥Al2O3-SiO2系浇注料的高温力学性能取决于其莫来石生成状况。

       3 结论

       (1) 本试验条件下, Al2O3-SiO2系无水泥浇注料中特级矾土最佳加入质量分数为12.5%左右, 1 250 ℃下的热态抗折强度可达22.1 MPa。

       (2) Al2O3-SiO2系无水泥浇注料中莫来石的生成机制属于溶解-沉淀。与棕刚玉相比, 特级矾土更有利于莫来石的生成, 故加入特级矾土更有利于提高无水泥浇注料的热态抗折强度。

       (3) Al2O3-SiO2系无水泥浇注料的高温力学性能与其莫来石生成情况密切相关。