摘    要：以低水泥Al2O3-SiO2质浇注料为基础，以80矾土均化料从粗颗粒分级替代80高铝矾土熟料，研究骨料种类对Al2O3-SiO2质浇注料加水量、流动性、不同热处理温度材料的常温物理性能和高温体积稳定性的影响。结果表明：矾土均化料可以降低浇注料的加水量，提高体积密度，降低材料的显气孔率。不同温度热处理后，以矾土均化料为骨料的浇注料具备更好的常温力学性能。矾土均化料的烧结性高于普通矾土熟料，表现在1400℃热处理后浇注料收缩更为显著。矾土均化料具有与普通矾土熟料相异的显微结构及性能特征，可为Al2O3-SiO2质浇注料的性能设计提供更多选择。

不定形耐火材料具有工艺简单，生产能耗低，施工效率高，整体性好等优点，其在耐火材料中所占比例已成为衡量耐火材料总体发展水平的重要标志之一。目前，我国该比例约为39%（数据来源：中国耐火材料行业协会2020年第一期情况通报），与日本、欧洲的超过半数相比，我国不定形耐火材料仍有巨大发展空间【1-3】。其中Al2O3-SiO2质浇注料是应用最广泛的不定形耐火材料，主要以高铝矾土熟料为主原料。我国铝矾土因多年无序开采和大量消耗，高品位优质铝矾土矿越来越少，加之目前多采用竖窑烧成以降低能耗，导致高铝矾土熟料普遍质次价高。与此相比，矾土均化料可利用低品位矿且性能更为稳定并因此而日趋受到重视[4,5,6,7]。

在本工作中，在传统低水泥Al2O3-SiO2质浇注料的基础上，使用80矾土均化料从粗颗粒逐级替代80矾土熟料，研究骨料种类对Al2O3-SiO2质浇注料加水量、流动性、不同温度处理后的常温强度和高温体积稳定性的影响。

1 试验

1.1 原料

试验所使用的80矾土熟料通过倒焰窑直接煅烧生矿制得。80矾土均化料是把铝矾土原矿经过选矿、破碎、配矿和球磨均化，然后机压成型高温煅烧，得到的一种成分均匀，结构致密的优质高铝耐火原料。矾土均化料工艺流程如图1所

图1 矾土基均化料的生产工艺流程图

表1是两种原料的理化指标。由表1可以看出，两种原料的成分接近，矾土均化料和矾土熟料的体积密度分别为2.92和3.17 g·cm-3，前者显气孔率是后者的1倍多，均化料具有更高的致密度。  表1 80矾土熟料和80矾土均化料的理化指标

1.2 试验方案

试验配方见表2。以低水泥Al2O3-SiO2质浇注料为基础，用80矾土均化料逐级替代80矾土熟料，研究矾土均化料对Al2O3-SiO2质浇注料的影响。  表2 试验配比    

1.3 制样及实验过程

按照表2配料，物料先干混1 min，加水后再混3 min，采用传统振动浇注成型工艺制备所需各规格试样，模内养护24 h后脱模，再经自然养护24 h后，于110℃烘烤24 h。部分试样于1000和1400℃保温3h热处理。对烘干和热处理后的试样，按照GB/T 2997—2000测体积密度和显气孔率，按GB/T 3001—2007测常温抗折强度，按GB/T 5072—2008测常温耐压强度，按GB/T 5988—2007检测1000和1400℃保温3 h的加热永久线变化率。

2 结果与分析

2.1 加水量、流动值

图2示出了浇注料流动值和对应加水量。由图2可知，3组浇注料具有较好且相近的流动性，其加水量随着矾土均化料的增加显著降低。由表1可知，矾土均化料相对矾土熟料更为致密，吸水率更低，以其作为骨料，可降低浇注料的加水量。图2 浇注料的加水量和流动值
从图3的3组浇注料的流动性衰减结果可知，浇注料流动性衰减主要受基质组成的影响，骨料的改变对S0、S1和S23组浇注料衰减特性影响不大，三者具有相近的衰减趋势。

图3 浇注料的流动值

2.2 体积密度、显气孔率

表3是浇注料不同温度热处理后的体积密度和显气孔率。由表3可知，随着矾土均化料对矾土熟料的逐级替代，浇注料的体积密度逐渐增大，显气孔率逐渐降低。1000℃保温3 h热处理后试样的显气孔率最高，1400℃热处理后显气孔率又降低。表3 试样的体积密度和显气孔率由以上可以明显看出，矾土均化料对提高材料的致密性，降低显气孔率作用明显。一方面，矾土均化料骨料本身比较致密；另一方面，含矾土均化料的浇注料加水量低，导致其气孔低。1000℃物料出现烧失，而此时膨胀剂还未起作用，所以，此时浇注料显气孔率最高。1400℃高温热处理后，由于烧结收缩和膨胀剂的综合作用，导致材料致密度增加，显气孔率降低。

2.3 常温力学性能

图4和图5示出了浇注料热处理后的常温抗折强度和常温耐压强度。可知：110℃烘24 h三组浇注料常温强度差别不大1000和1400℃热处理后，随均化料替代量增加，浇注料的抗折强度逐渐提高。材料抗折强度的主要影响因素是基质和骨料的结合强度。低温处理后，强度主要来自水泥水化产物。高温热处理后，结合强度主要来自新物相和烧结。由于玻璃相的均匀分布，矾土均化料高温热处理更容易发生烧结，所以，随着均化料逐级替代矾土熟料，经过高温热处理后，材料结合强度更大。图4 不同热处理温度浇注料的常温抗折强度
图5 不同热处理温度浇注料的耐压强度

2.4 加热永久线变化率

图6示出了浇注料分别在1000和1400℃保温3 h热处理的加热永久线变化率。可知：3组浇注料试样1000℃保温3 h都出现收缩，在此温度下，膨胀剂还未起作用。在1400℃保温3 h，添加矾土熟料为骨料的浇注料加热永久线变化率为正值，浇注料发生膨胀。随着矾土均化料对矾土熟料的逐级替代，试样加热永久线变化率逐渐降低，骨料全为矾土均化料的浇注料1400℃热处理后出现收缩。高温下伴随着液相烧结，材料体积都会收缩，膨胀剂的作用是通过反应生成新物相引起膨胀，用于抵消烧结产生的收缩。矾土熟料和矾土均化料在浇注料中的差异，一方面是均化料玻璃相是均匀分散的，这有利于烧结的进行，从而出现更大收缩。另外，矾土均化料晶粒发育完整，与膨胀剂反应活性差，导致其膨胀反应低于矾土熟料，综合作用导致1400℃热处理的加热永久线变化率S2的<S1的<S0的。

图6 浇注料热处理后加热永久线变化率
图7为典型矾土熟料和矾土均化料的显微结构照片。低倍下，观察矾土熟料存在分散的大气孔，物相分布不均匀，晶粒细小，几乎无法分别出晶界；矾土均化料存在均匀分散的晶粒和密闭气孔，玻璃相分散在晶粒周围。高倍下，矾土熟料晶粒依然无法分辨，刚玉晶粒相互连接在一起；矾土均化料晶粒发育比较完整，晶粒之间多由钛酸铝和玻璃相胶结。两者物相组成和显微结构的差异决定了其在使用中会给浇注料性能带来不同的影响。

图7 矾土熟料和矾土均化料典型显微结构照片

3 结论

(1）以80矾土均化料替代普通80矾土熟料制备的Al2O3-SiO2质浇注料，可在更低的加水量下获得所需流动性，且浇注料具有更高的体积密度和相对更好的常温及中高温处理后常温力学性能。(2）均化矾土高温下的烧结程度更高，以其为骨料的Al2O3-SiO2质浇注料经1400℃高温处理后体积收缩高于普通矾土熟料为骨料的浇注料。(3）矾土均化料具有与普通矾土熟料相异的显微结构及性能特征，可为Al2O3-SiO2质浇注料的性能设计提供更多选择。在实际工作中不应囿于孰优孰劣之争，而应根据具体使用条件做出最优选择。