氧化鋁空心球具有優(yōu)良的耐高溫性能及隔熱保溫性能，它廣泛應(yīng)用于保溫材料和隔熱材料，但由于氧化鋁空心球骨料顆粒呈球面，顆粒之間結(jié)合相對較為困難，通過為了不影響氧化鋁空心球磚的高溫性能，采用氧化鋁微粉自結(jié)合方式，基質(zhì)相主要為剛玉相，但此種結(jié)合方式，材料的常溫強(qiáng)度較小，材料的燒結(jié)性及抗剝落性較差。有研究表面采用SiO2微粉結(jié)合，利用SiO2微粉和氧化鋁微粉在基質(zhì)原位反應(yīng)生成莫來石，在材料的基質(zhì)中用莫來石替代基質(zhì)部分的剛玉相，可提高氧化鋁空心球的抗剝落性。考慮到輕質(zhì)氧化鋁空心球純度高，磷酸可以與氧化鋁發(fā)生原位反應(yīng)生成磷酸鋁。材料具有良好的中溫強(qiáng)度，并且磷酸鋁約在1700℃左右開始緩慢分解，材料的高溫強(qiáng)度也較好，且材料在使用過程中磷酸鋁還能起到助燒劑的作用。除了無機(jī)結(jié)合劑，氧化鋁空心球磚還可以采用很多有機(jī)結(jié)合劑，如：木質(zhì)磺酸鹽、甲基纖維素等。
低水泥系列耐火澆注料是與傳統(tǒng)的鋁酸鹽水泥耐火澆注料相對比較而言的。傳統(tǒng)鋁酸鹽水泥耐火澆注料的水泥用量一般為12%~30%，水用量為9%~13%。而低水泥耐火澆注料一般采用超微粉技術(shù)、高效外加劑和科學(xué)的顆粒級配，將水泥用量降至8%以下、水用量降至7%以下。自上世紀(jì)以來，低水泥系列耐火澆注料以其成型容易、施工方便、整體性好等原因而廣泛應(yīng)用在煉鐵、建材、窯爐等各個領(lǐng)域。同時氧化鋁空心球輕質(zhì)澆注料具有使用溫度高、強(qiáng)度大和熱導(dǎo)率低的特點，因此開發(fā)研究性能更為優(yōu)良的低水泥氧化鋁空心球輕質(zhì)澆注料具有十分重要的意義。
1 實驗研究
本文通過對主要原料氧化鋁空心球、鋁酸鈣水泥的原料化學(xué)組成和礦物相分析，結(jié)合CaO—Al2O3系統(tǒng)相圖及制品X—射線衍射的結(jié)果進(jìn)行研究，并通過相關(guān)實驗，就低水泥結(jié)合氧化鋁空心球輕質(zhì)澆注料的性能進(jìn)行了研究。
1.1 原料分析
根據(jù)理論研究，實驗采用4種粒級的氧化鋁空心球作為耐火骨料，由于氧化鋁空心球為球形結(jié)構(gòu)，不同粒級球體之間為點接觸，不容易燒結(jié)，因此采用α—Al2O3微粉作為耐火粉料，增加球體之間的結(jié)合程度，便于燒結(jié)。由表1可見，氧化鋁空心球和α—Al2O3主成分均為Al2O3，材料具有良好的高溫性能，其中氧化鋁空心球具有中空結(jié)構(gòu)，也有利于材料具有良好的隔熱性能，適于保溫隔熱材料的使用環(huán)境。氧化鋁空心球，α—Al2O3微粉的理化指標(biāo)如表1所示。
表1 原料的化學(xué)組成/%
本課題考慮到材料的使用溫度較高，以及對材料的常溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度的要求，采用的結(jié)合劑時CA—80E鋁酸鈣水泥。由表1可見，鋁酸鈣水泥的主要化學(xué)組成為Al2O3、CaO，同時含有微量的SiO2、Fe2O3及R2O3。由圖1的X射線衍射分析可知，CA—80E鋁酸鈣水泥主要礦物相為剛玉、CA、CA2，熔點分別為2050℃、1600℃、1750℃。CA、CA2均具有良好的水化性能，水化產(chǎn)物為水化一鋁酸鈣、水化二鋁酸鈣、水化三鋁酸鈣及部分鋁膠AH3，水化產(chǎn)物有利于提高材料的常溫強(qiáng)度。同時考慮材料的減水性能，實驗采用分散性較好的多聚磷酸鈉作為減水劑。
1.1 相圖分析
由圖2的CaO—Al2O3系統(tǒng)相圖可知，材料若具有良好的高溫性能，材料的總組成點應(yīng)落在CA6和Al2O3之間。CA6為六方板狀晶體，在1850℃不一致熔，形成剛玉和液相，材料具有良好的高溫性能。通過以上系統(tǒng)相圖、鋁酸鈣水泥的化學(xué)組成及礦物組成可知：CA-80E鋁酸鈣水泥的組成點在CA和CA2之間，α—Al2O3組成點靠近Al2O3純物質(zhì)。CA6中Al2O3含量約為91.6%，經(jīng)過數(shù)學(xué)計算，當(dāng)CA—80E鋁酸鈣水泥的加入量為36.5%時，材料中的總組成點在CA6的理論組成點位置。為實現(xiàn)基質(zhì)材料中的組成為剛玉和CA6，在材料的基質(zhì)組成中，CA—80E鋁酸鈣水泥的加入量應(yīng)控制在36.5%以下。由于材料的基質(zhì)部分約占總組成的30%，所以CA—80E鋁酸鈣水泥的總加入量應(yīng)小于11%。根據(jù)杠桿規(guī)則，如CA—80E鋁酸鈣水泥加入量為7%，材料的理論基質(zhì)礦物相組成為：CA619.1%和Al2O390.9%。隨著CA—80E鋁酸鈣水泥加入量的減少，材料中的Al2O3的量也會增加。
鋁酸鈣水泥的加入由兩個作用，首先鋁酸鈣水泥可以作為常溫結(jié)合劑，隨著水泥加入量增加，材料的常溫強(qiáng)度逐漸增大。其次，鋁酸鈣水泥可以成為高溫的燒結(jié)劑，鋁酸鈣水泥的組成點在CA和CA2之間，材料中出現(xiàn)液相的溫度約在1600℃，材料可以達(dá)到正常燒結(jié)。同時考慮鋁酸鈣水泥中存在有少量堿金屬雜質(zhì)，所以材料燒成溫度應(yīng)稍低一些。
1.1 實驗過程
實驗采用5級配料，采用5~3mm、3~2mm、2~1mm、1~0.2mm氧化鋁空心球，耐火粉料為α—Al2O3微粉。材料組成為耐火骨料、耐火粉料、結(jié)合劑、減水劑和防爆劑。實驗過程及參數(shù)：（1）稱取耐火顆粒料和耐火粉料；（2）混料時間約4min，加水量6%~8%；（3）成型采用振動成型方式，振動時間2min；（4）常溫養(yǎng)護(hù)時間24h；（5）烘干溫度110℃，烘干時間24h；（6）燒成溫度1500℃，保溫時間3h；（7）對燒成試樣的體積密度、高溫強(qiáng)度、荷重軟化溫度及礦物組成進(jìn)行檢測。
2 檢測結(jié)果分析
試樣各項性能檢測結(jié)果：體積密度1.62g·cm-3，1400℃高溫抗折強(qiáng)度8.0MPa，荷重軟化溫度大于1600℃，熱導(dǎo)率0.85W·（m·K）-1。通過對試樣的X—射線衍射分析可以看出，材料的主要礦物相組成為剛玉、CA6及少量的CA2。少量CA2的存在主要是由于試樣的燒成溫度低一級保溫時間較短所致，而少量的CA2不會對材料的高溫性能有太大影響。與類似輕質(zhì)澆注料相比，本輕質(zhì)澆注料的各項性能良好，使用溫度在1650℃以上。
3 結(jié)論
本文通過對原料的化學(xué)組成和礦物分析，結(jié)合CaO—Al2O3系統(tǒng)相圖進(jìn)行計算，并對材料的各項性能進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果表明：低水泥結(jié)合氧化鋁空心球輕質(zhì)澆注料的應(yīng)用時可行的，鋁酸鈣水泥的使用有利于氧化鋁空心球輕質(zhì)澆注料的常溫強(qiáng)度的提高，對材料的高溫?zé)删哂兄鸁齽┳饔茫瑹笤嚇拥闹饕V物組成均為高溫相，試驗的各項性能良好。
