低水泥高铝浇注料加入红柱石后的高温性能影响

在低水泥高铝浇注料中引入10%、15%、20%(w)的红柱石，研究了红柱石加入量对浇注料高温性能的影响。结果表明：红柱石加入可以改善低水泥高铝浇注料的体积稳定性。随着红柱石加入量的增加，其荷重软化温度及高温抗折强度呈现逐渐上升趋势。利用红柱石高温下莫来石化可以改善低水泥高铝浇注料的高温性能。

铝硅系浇注料因具有原料来源广、性价比高等优点，在高温行业得到广泛应用[1,2,3,4]。但铝硅系耐火材料在高温使用过程中受高温荷重、温度变化等作用普遍存在体积稳定性差、剥落开裂等现象，影响了使用。红柱石在高温下会发生莫来石化反应，具有微膨胀性，改变了铝硅系耐火材料产品在长期高温下收缩的弱点，提高了铝硅系耐火材料的高温体积稳定性、高温蠕变性等[5,6,7]，为此，研究红柱石对低水泥高铝浇注料荷重软化温度、高温抗折强度等高温性能的影响。

1 试验

1.1 原料及试验方案

本试验采用高铝矾土颗粒和细粉（15～8 mm、8～3 mm、3～1 mm、1～0.074 mm、≤0.074 mm）、红柱石颗粒和细粉（3～1 mm、1～0.21 mm、≤0.074 mm）、氧化铝微粉、硅微粉和铝酸钙水泥等作为主要原料。试验所使用的主要原料化学组成如表1所示。

表1 主要原料的化学组成

骨料选用15～8 mm、8～3 mm、3～1 mm、1～0.074 mm四级配料，骨料与基质的质量比为68﹕32，固定试验中的氧化铝微粉、硅微粉和水泥配比，改变红柱石和高铝矾土的比例，试验所用配比如表2所示。

表2 试验配比

1.2 试样制备

将配好的物料首先在搅拌机中干混均匀后，加水搅拌后分别浇注成160 mm×40 mm×40 mm和直径50mm±0.5 mm、高度50 mm±0.5 mm的圆柱试样，室温下养护24 h后脱模。将试样经110℃保温24 h烘干后，进行1 350℃热处理后保温3 h。分别采用GB/T 2997—2000、GB/T 5988—2007、GB/T 5989—2008、GB/T 3001—2007检测烘干及热处理后试样的体积密度、显气孔率和永久线变化率，以及荷重软化温度、高温抗折强度等性能指标。

2 结果与讨论

2.1 红柱石加入量对试样加热永久线变化率的影响

红柱石加入量对试样加热永久线变化率的影响见图1。可以看出，试样在110℃与1 100℃时，永久线变化率为负值且随红柱石加入量增多收缩变小。在1 350℃时，永久线变化率为正值且随红柱石加入量增多膨胀变大。在110℃收缩主要因为试样内自由水脱去导致的，不是受红柱石加入量的影响。在1350℃膨胀的主要原因是因为试样中的红柱石在1 300℃左右开始转变为莫来石，莫来石化伴随着一定的体积膨胀，且试样中的刚玉相与游离的Si O2可以进行二次莫来石反应，进一步膨胀[5]，随红柱石量的增大反应生成的莫来石量越大，体积膨胀越明显。因此引入一定量的红柱石可以改善低水泥高铝浇注料的体积稳定性。

图1 红柱石加入量对试样加热永久线变化率的影响

2.2 红柱石加入量对试样显气孔率、体积密度的影响

红柱石加入量对试样显气孔率、体积密度的影响见图2。可以看出，随红柱石加入量的增多，试样110℃的显气孔率呈逐渐递增趋势，而1 100℃和1 350℃的显气孔率呈现逐渐递减趋势且整体高于110℃的。不同温度点的体积密度均是呈现逐渐递增趋势。

本试验是红柱石等量取代高铝矾土，红柱石的体密大于高铝矾土因此浇注料的体积密度呈上升趋势。在1 350℃时显气孔率较高是由于红柱石莫来石化微膨胀导致试样内部出现微裂纹，造成了显气孔率的增大。

图2 红柱石加入量对试样显气孔率、体积密度的影响

2.3 红柱石加入量对试样荷重软化温度的影响

红柱石加入量对试样荷重软化温度的影响见图3。可以看出，随红柱石加入量的增多，荷重软化开始温度T0.6逐渐提高，从未加红柱石的1 440.7℃提高到了1 565.5℃，提高了约125℃。这是由于在高温下红柱石开始莫来石化，形成的莫来石具有交错网络结构，可以提高材料的荷重软化温度。同时试样中红柱石莫来石化产生的高硅液相与基质中的Al2O3二次莫来石化带来体积膨胀，莫来石化带来的体积膨胀抵消了高温压载时试样的收缩，从而提高了进一步提高了试样的荷重软化温度。

图3 红柱石加入量对试样荷重软化温度的影响

2.4 红柱石加入量对试样高温抗折强度的影响

红柱石加入量对试样高温抗折强度的影响见图4。可见，随红柱石加入量增大，试样的高温抗折强度也随之增大。在红柱石加入20%(w）时，此时高温抗折强度达到最大值3.53 MPa。相较于未加红柱石的高温抗折强度2.09 MPa，强度增加了约69%。这是由于红柱石莫来石化形成互相交叉致密的网状结构，加强了基质之间的结合，改善了试样的高温抗折强度。同时红柱石莫来石过程中剩余的Si O2与试样中的Al2O3发生二次莫来石反应，随着红柱石加入量的增加莫来石生成量逐渐增加，使试样内部更加紧密，因此高温抗折强度逐渐增加。

图4 红柱石加入量对试样高温抗折强度的影响

3 结论

(1）低水泥高铝浇注料中添加红柱石，可以明显改善低水泥高铝浇注料的体积稳定性。

(2）加入20%(w）红柱石较未加入红柱石的试样的荷重软化开始温度提高了约125℃，高温抗折强度提高了约69%。引入红柱石可显著改善低水泥高铝浇注料的高温抗折强度和荷重软化温度。