高鋁礬土是我國(guó)耐火材料行業(yè)主要的耐火原料之一，以高鋁礬土熟料為原料的耐火材料被廣泛應(yīng)用在冶金、建材、電力、化工等行業(yè)。高鋁礬土資源屬于有色、耐火材料、磨料、陶瓷等多行業(yè)的資源，十多年來隨著國(guó)家眾多氧化鋁項(xiàng)目的擴(kuò)張建設(shè)、投產(chǎn)，消耗鋁礬土礦數(shù)量急劇增加，且過度的無序開采，較低的綜合利用率，使得我國(guó)高品位的高鋁礬土資源逐漸減少;此外，塊法煅燒的加工方式，使得高鋁礬土熟料的化學(xué)成分和性能的穩(wěn)定性較差，相應(yīng)產(chǎn)品的質(zhì)量有較大波動(dòng)，碎礦不被利用。

為提高礦物利用率，提高高鋁料的質(zhì)量穩(wěn)定性，有研究認(rèn)為發(fā)展高鋁礬土均化料是一條切實(shí)有效的途徑。

高鋁均化料開始在高爐鐵溝澆注料、鍋爐耐磨澆注料、水泥窯澆注料等領(lǐng)域中進(jìn)行應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在耐火澆注料方面;也有在鋁碳化硅碳、鋁鎂碳等含碳不燒磚方面的研究報(bào)道，認(rèn)為礬土均化料與非氧化物一起使用可減少玻璃相對(duì)體系高溫性能的負(fù)面影響，從而提高均化料的使用價(jià)值。那么高鋁礬土熟料和高鋁礬土均化料到底有哪些實(shí)質(zhì)性的區(qū)別呢?我們看一下下圖的對(duì)比表。

而兩者除了不同點(diǎn)之外，也是有共同點(diǎn)的，比如高鋁礬土骨料和均化料的化學(xué)組成差別不大，三氧化二鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)都在80%以上，物相均為剛玉相和莫來石相，主晶相都是剛玉相，次晶相則為莫來石相。在實(shí)際的高鋁均化料應(yīng)用中，研究人員對(duì)高鋁均化料的性能認(rèn)識(shí)也不統(tǒng)一，對(duì)于其性能優(yōu)化的研究工作還在繼續(xù)。本工作中通過比較高鋁熟料與高鋁均化料高溫性能的差異，進(jìn)一步探明高鋁均化料和高鋁熟料相比其性能優(yōu)勢(shì)、劣勢(shì)所在，以便用戶合理高效使用高鋁原料，使其更好地服務(wù)于耐火材料。
01試 驗(yàn)

試驗(yàn)用第一批Al?O?含量約為88%(w)的高鋁熟料(非均化料)和高鋁均化料同產(chǎn)于山西某公司，其雜質(zhì)含量相當(dāng)。為試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，采購(gòu)第二批高鋁熟料重復(fù)試驗(yàn)，Al?O?含量約為88%(w)高鋁熟料產(chǎn)于山西另一家公司，Al?O?含量約為88%(w)高鋁均化料為河南某公司生產(chǎn)。Al?O?含量約為80%(w)高鋁熟料和高鋁均化料分別來自山西兩家企業(yè)。每組所選擇對(duì)比原料的雜質(zhì)含量基本相當(dāng)。各種高鋁原料的化學(xué)組成和體積密度見表1。

通過對(duì)高鋁熟料顆粒進(jìn)行電鏡能譜分析，發(fā)現(xiàn)高鋁熟料中不同顆粒之間氧化鋁含量波動(dòng)大，表明高鋁熟料的混級(jí)現(xiàn)象較嚴(yán)重。選取多個(gè)顆粒對(duì)其混合程度進(jìn)行隨機(jī)統(tǒng)計(jì)。第一批GL-88高鋁熟料的混級(jí)程度約為30%(w)，第二批GL-88高鋁熟料試樣的混級(jí)程度約為20%(w)，GL-80高鋁熟料的混級(jí)程度約為44%(w)。輔助原料有：結(jié)合黏土為蘇州土，其Al?O?含量為38.5%(w)，SiO2含量為46.28%(w);硅灰，SiO2含量約94%(w);Al?O?微粉，Al?O?含量為99.2%(w)，粒度約2μm;結(jié)合劑有市售Secar71水泥和紙漿廢液。

制備定形高鋁試樣：分別以GL-88(兩批)或GL-80高鋁礬土料為骨料和粉料，加入5%(w)的黏土，以紙漿廢液為結(jié)合劑，在160MPa壓力下壓制成φ50mm×50mm和25mm×25mm×150mm的試樣，110℃下干燥24h后，于高溫電爐中1500℃下保溫5h燒成。制備高鋁澆注料試樣：分別以GL-88(第一批料)或GL-80高鋁礬土料顆粒及細(xì)粉為主要原料，添加一定量的硅灰和氧化鋁微粉，以Secar71水泥為結(jié)合劑，澆注成40mm×40mm×160mm的試樣，自然條件下養(yǎng)護(hù)24h脫模，110℃下干燥24h，分別于1300℃和1500℃保溫3h熱處理。用x射線衍射儀分析高鋁熟料和高鋁均化料的物相組成。按國(guó)標(biāo)檢測(cè)燒后定形高鋁試樣的體積密度、顯氣孔率、常溫強(qiáng)度、燒后線收縮率、加熱永久線變化率(1550℃保溫3h)、高溫抗折強(qiáng)度(1200℃保溫0.5h)、荷重軟化溫度和抗熱震性(1100℃保溫0.5h，水冷)，并檢測(cè)烘干和熱處理后高鋁澆注料試樣的體積密度、顯氣孔率、常溫強(qiáng)度、加熱永久線變化率、高溫抗折強(qiáng)度(1200℃保溫0.5h，采用1300℃熱處理后的試樣)、抗熱震性能(1100℃保溫0.5h，水冷)和高溫耐磨性能(900℃下)。
02結(jié)果與討論

2.1 高鋁原料的物相組成

圖1為高鋁均化料和高鋁熟料的XRD圖譜。從圖中可以看出，GL-88高鋁均化料和GL-88高鋁熟料的主晶相均為剛玉相，含有少量莫來石、鈦酸鋁、金紅石;其中第一批GL-88高鋁均化料中莫來石含量約4%(w)，GL-88高鋁熟料中的約8%(w);第二批GL-88高鋁礬土均化料中沒有檢測(cè)到莫來石，高鋁熟料中莫來石含量約6%(w)。GL-80高鋁均化料和GL-80高鋁熟料的主晶相為剛玉相和莫來石相，前者莫來石含量約42%(w)，后者莫來石含量約37%(w)。

2.2 高鋁定形試樣的性能

表2示出了兩種高鋁定形試樣的常溫性能。從表中可以看出，分別與GL-88、GL-80高鋁熟料試樣比較，GL-88高鋁均化料和GL-80高鋁均化料試樣的燒后線收縮率大，體積密度高，顯氣孔率小，常溫強(qiáng)度大。這主要由于高鋁均化料本身燒結(jié)致密，試樣也易于燒結(jié)。

表3示出了兩種高鋁定形試樣的高溫性能。從表3中可以看出，分別與高鋁熟料試樣比較，以GL-88高鋁均化料和GL-80高鋁均化料為原料的定形試樣，其加熱永久線變化率(線收縮)較大，高溫抗折強(qiáng)度較低，抗熱震性較差，其荷重軟化溫度與高鋁熟料所制試樣的接近。這表明高鋁均化試樣加熱永久線變化率和高溫抗折強(qiáng)度兩項(xiàng)高溫性能不及高鋁熟料試樣的。這可能由于高鋁礬土均化料中雜質(zhì)分散均勻，高溫下相對(duì)形成的玻璃相均勻分散在晶相周圍，對(duì)晶粒形成一種包裹的趨勢(shì)，使晶相之間的固-固結(jié)合程度降低，從而導(dǎo)致其高溫性能減弱。

與高鋁均化料的試樣比較，高鋁熟料試樣的抗熱震性相對(duì)優(yōu)良，應(yīng)歸因于高鋁礬土熟料不均勻的結(jié)構(gòu)組成，能緩沖熱應(yīng)力，阻礙熱應(yīng)力裂紋的擴(kuò)展。對(duì)比CL-88高鋁均化料試樣與高鋁熟料試樣的常溫性能、高溫性能，在不同時(shí)間段和燒成設(shè)備上試驗(yàn)的第一批和第二批試樣的優(yōu)劣趨勢(shì)相同。

2.3 高鋁澆注料試樣的性能

幾種高鋁澆注料的性能指標(biāo)見表4。由表4中可以看出，與以高鋁熟料為原料制備的澆注料相比，以高鋁均化料為原料制備的澆注料的體積密度、抗折強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度較高;熱處理后高鋁均化澆注料的常溫強(qiáng)度性能更高些。這是由于高鋁均化料能促進(jìn)試樣燒結(jié)，從而使得試樣的熱處理后常溫強(qiáng)度有較大的提高。

與GL-88高鋁熟料的澆注料試樣相比，以GL-88高鋁均化料為原料的澆注料試樣的加熱永久線變化率較大，高溫抗折強(qiáng)度較低，抗熱震性較差，高溫耐磨性能與高鋁熟料澆注料試樣相當(dāng)。高溫性能的比較結(jié)果與上述高鋁定形試樣大體一致。而以GL-80高鋁料為原料的澆注料試樣性能對(duì)比情況不同，與GL-80高鋁熟料澆注試樣相比，GL-80高鋁均化澆注料試樣的加熱線變化小，高溫抗折強(qiáng)度較大，高溫耐磨性較強(qiáng)(磨損量較小)。該澆注料試樣的加熱永久線變化率等高溫性能的對(duì)比結(jié)果與GL-80高鋁定形試樣的相反。

由于GL-80高鋁均化料燒結(jié)程度優(yōu)良，GL-80高鋁熟料(即非均化料)的燒結(jié)程度差，兩者致密程度差異較大。作為澆注料試樣的原料使用時(shí)，燒結(jié)程度較差、氣孔率高的高鋁熟料制備的澆注料試樣的加熱永久線變化率較大，相當(dāng)于一次再燒結(jié)。材料的氣孔率高，單位面積荷載能力減小，因此其高溫抗折強(qiáng)度較低，高溫耐磨性也較低。作為定形試樣的原料使用時(shí)，由于試樣坯體經(jīng)過1500℃燒成工序，部分彌補(bǔ)了GL-80高鋁熟料燒結(jié)程度差的弱點(diǎn)，也部分降低材料的氣孔率，增強(qiáng)了材料的體積穩(wěn)定性，因此該高鋁試樣的加熱永久線變化率較小，其荷重軟化溫度不低于高鋁均化試樣的。

普通高鋁熟料的燒結(jié)程度差，且不均勻，高鋁均化料結(jié)構(gòu)中玻璃相均勻分布，晶相之間結(jié)合程度低，這分別是兩類高鋁原料的弱點(diǎn)，由此會(huì)導(dǎo)致各自高鋁材料的高溫性能降低，在比較材料高溫性能時(shí)，要看哪個(gè)因素對(duì)材料性能的影響更突出。對(duì)于GL-88高鋁試樣，其組成結(jié)構(gòu)情況與GL-80高鋁試樣不同。

GL-88高鋁熟料大多用倒焰窯長(zhǎng)時(shí)間煅燒，原料燒結(jié)較致密，也較均勻，其燒結(jié)程度與GL-88高鋁均化料的燒結(jié)程度接近。在此，高鋁均化料試樣的高溫性能主要受制于結(jié)構(gòu)的“玻璃效應(yīng)”，高鋁均化料中玻璃相均勻分散，使晶相之間的結(jié)合程度降低，從而降低試樣的加熱永久線變化率和高溫抗折強(qiáng)度。

同類高鋁材料的高溫耐磨性與材料燒結(jié)致密程度相關(guān)，兩種GL-88高鋁澆注料的顯氣孔率、體積密度接近，因此兩者的高溫耐磨性相當(dāng)。
03結(jié)論

本研究中選擇市場(chǎng)上的高鋁礬土熟料和高鋁均化料，著重比較高鋁礬土熟料與高鋁礬土均化料高溫性能的差異，得到如下結(jié)果：

(1)對(duì)GL-88高鋁礬土原料而言，高鋁均化料與高鋁熟料的燒結(jié)程度接近，兩者所制備定形試樣與澆注料試樣的荷重軟化溫度和高溫耐磨性能相當(dāng);由于高鋁礬土均化工藝使得玻璃相均勻分布，減弱了晶粒間的直接結(jié)合程度，導(dǎo)致高鋁均化料試樣的高溫體積穩(wěn)定性和高溫抗折強(qiáng)度較低。

(2)對(duì)GL-80高鋁礬土原料而言，高鋁均化澆注料試樣在高溫抗折強(qiáng)度、加熱永久線變化率、高溫耐磨性等高溫性能方面有優(yōu)勢(shì)，而作為制備高鋁定形試樣的原料使用時(shí)，高鋁礬土均化料試樣沒有高溫性能優(yōu)勢(shì)。