活性氧化铝粉对铝硅系耐火浇注料性能影响研究

摘 要：研究了一种活性氧化铝粉对刚玉质浇注料体积密度、显气孔率、抗折强度、耐压强度、抗热震性能和抗渣性能的影响。实验表明：活性氧化铝粉代替部分硅微粉没有影响材料的加水量和流动性；加入部分活性氧化铝粉能够提高材料的体积密度、抗折强度和耐压强度；加入部分活性氧化铝粉有利于提高材料高温下的热震性能和抗渣性能；活性氧化铝粉的加入量不能过多，加入量太多不利于材料性能的提高。

原料特性对浇注料的性能有显著的影响。浇注料的高温性能取决于相组成，与原料的纯度和化学组成密切相关[1]。浇注料的硅微粉和活性氧化铝微粉由于其特殊的颗粒尺寸分布使得其能够填充到耐火砖和浇注料的骨料间隙和大颗粒粉体粒子之间所残留的空隙中。用于浇注料时，可以大幅度的降低加水量，同时在大颗粒之间起到润滑的作用，可以最大程度地减少浇注料的松散现象。

硅微粉的出现为开发低水分、低水泥和超低水泥浇注料做出了极大贡献，利用硅微粉的特殊性能能够极大的提高浇注料的中温强度，但同时也限制了浇注料的使用温度[2,3]。而加入部分高性能的活性氧化铝在不定形耐火材料中能够提高坯体密度、流动性、强度，提高二次莫来石生成量等，降低加水量和气孔率等性能[4]。

1 试验

1.1 原料

本试验采用的主要原料板状刚玉（10～5、5～3、3～1、≤1和≤0.088 mm）、硅微粉、活性氧化铝粉、水泥等。主要原料化学组分见表1。

表1 主要原料的化学组成

采用马尔文3000激光粒度仪和氮吸附比表面仪对硅微粉和活性氧化铝粉的粒度和比表面积进行检测，结果见表2。

表2 硅微粉和活性氧化铝粉的粒度及比表面积

1.2 试验方案

试验方案见表3。

表3 配方表

1.3 试样制备

将原料按照配比混合均匀后在水泥搅拌机中搅拌均匀后，体积密度、显气孔率、抗折强度、耐压强度、水冷热震保持率及热态抗折强度所需试样振动成型为160 mm×40 mm×40 mm的样块，抗渣性能检测试样振动成型为外形尺寸70 mm×70 mm×70 mm，内孔尺寸直径Φ43 mm×35 mm的坩埚样块。样品制备好后养护12 h，脱模后，在自然条件下干燥24 h，再在110℃烘箱里干燥24 h，然后进行性能测试。

分别按照GB/T 2997—2015、GB/T 3001—2017、GB/T 5072—2008、GB/T 5988—2007测试110℃保温24 h、1300℃保温3 h、1500℃保温3h测试体积密度、显气孔率、抗折强度、耐压强度和加热永久线变化，按照GB/T 3002—2017测试1450℃保温0.5 h高温抗折强度，将样条在1500℃保温3 h烧后做1100℃保温20 min三次水冷热震后测抗折强度保持率，测试1500℃保温3 h的抗渣性能。

2 结果与讨论

2.1 活性氧化铝粉对铝硅系浇注料物理性能影响

不同加入量的活性氧化铝粉和对铝硅系浇注料体积密度和显气孔率的影响见图1、图2所示。随着活性氧化铝加入量的增加，硅微粉加入量的减少显气孔率先增加再下降然后增加、体积密度则是先下降再增加然后下降。

图1 不同加入量的活性氧化铝粉对体积密度的影响

图2 不同加入量的活性氧化铝粉对显气孔率的影响

2.2 活性氧化铝粉对铝硅系浇注力学性能的影响

不同加入量的活性氧化铝粉对铝硅系材料抗折强度、耐压强度和线变化的影响见图3、图4、图5所示。随着活性氧化铝加入量的增加，硅微粉加入量的减少抗折强度和耐压强度是先增加再减少，试样H2的强度达到最大值。这是由于低温下Al2O3细粉附着于硅灰所形成的网状链上，使试样具有较高的低温强度；而随着温度的升高1200℃以后由于活性氧化铝和硅微粉的反应形成较大的莫来石晶体，由于莫来石的针状交错晶体和原网络链的双重作用，提供给试样较高的中、高温烧后强度，活性氧化铝粉有利于高温下莫来石相的形成，根据莫来石生成的条件，配方中根据氧化铝粉和氧化硅粉配方H2可以达到形成莫来石的最大量，所以强度最大；而随着活性氧化铝粉含量的增加，过多的活性氧化铝粉会与铝酸钙水泥形成液相，不利于材料的高温性能。

图3 不同活性氧化铝粉加入量对抗折强度的影响

图4 不同活性氧化铝粉加入量对耐压强度的影响

图5 不同活性氧化铝粉加入量对线变化率的影响

2.3 活性氧化铝粉对铝硅系材料热震保持率和高温抗折强度的影响

不同加入量的活性氧化铝粉对铝硅系材料热震性能保持率的影响以及高温抗折强度的影响见图6和图7所示。随着硅微粉加入量的减少，活性氧化铝粉加入量的增加热震强度保持率先降低再增大然后降低，高温抗折强度同样的规律。这是由于H2试样配方的产生大量的莫来石，有利于热震性能的提供，和高温下性能的提高，而过多的活性氧化铝粉则会跟铝酸钙水泥性能低熔相，会降低材料给的高温性能。

图6 不同活性氧化铝加入粉加入量对1100℃保温20 min三次水冷热震后抗折强度的影响

图7 不同活性氧化铝粉加入量对1450℃保温0.5 h高温抗折强度的影响

2.4 抗渣性能的影响

不同加入量的活性氧化铝粉对铝硅系材料抗渣性能的影响见图8所示。根据抗渣性实验结果，H0抗折性能最差，H2抗渣性能最好。

表4 钢渣成分（w/%）

图8 不同活性氧化铝粉加入量对材料抗渣性能的影响

对H0和H2两个样做电镜分析，其显微分析结果如图9和图10。

图1 0 H0显微结构图片

图1 1 H2显微结构图片

图中9试样H0的气孔较多，炉渣通过这些气孔不断向浇注料的内部渗透，从钢渣成分的化学分析看出，钢渣中存在大量的CaO、Fe2O3等低熔物，这些低熔物进入试样后形成铝酸四钙及铝酸钙等低熔点相，对试样进行不断的侵蚀。图10中试样H2中加入了活性氧化铝粉和试样中剩余的硅微粉容易形成莫来石相，随着莫来石相的形成体积会伴随一定的体积膨胀，使浇注料的结构更加致密，体积密度增大、气孔率降低，能够有效阻止钢渣的侵蚀，能够提高材料的抗渣性能；而过多的活性氧化铝粉的加入，除了形成莫来石，也会和铝酸钙水泥形成CA6,CA6的形成也有一定的体积膨胀，而体积膨胀过大，将导致浇注料中的缺陷增多，抗渣性能下降。

3 结论

(1）活性氧化铝粉的加入有利于在高温下和硅微粉结合形成莫来石相，增加材料的高温性能；

(2）活性氧化铝粉的加入量有控制，一般加入量不能超过3%，不然不利于材料高温性能的提高。