轻质浇注料主要应用于各种熔炼炉的安全衬，或是冶金、石化行业气氛炉的内衬。传统的轻质浇注料存在高温收缩大、强度低、隔热性能不够好、使用温度不高等问题，使其使用效果受限，更难以达到高温窑炉工作衬的使用要求。由于我国铝硅质资源丰富，价格相对低廉，高铝质的轻质耐火材料目前广泛应用于高温工业。因此，以Al2O3-SiO2系原料为主，开发满足使用温度在1200～1500℃范围内的、具有较高性价比的高性能轻质浇注料是本项目工作的重点。

1、轻质骨料的选择

近年来研究者对多种轻质骨料进行了研究，如：蛭石、珍珠岩、陶粒、耐火轻骨料、耐火纤维、空心球等。以这些轻骨料制得的轻质耐火浇注料各有各的适用范围，蛭石、珍珠岩可以制得容重很小、保温性能优良的浇注料，但使用温度较低;陶粒浇注料不但使用温度较低而且容重也较大，但有较高的强度;耐火纤维可以制得保温性能良好的浇注料，但是强度较差，使用温度也较低;耐火轻骨料可以制造适合多种温度使用的浇注料，而且强度高，但是容重较大，保温性能稍差。大部分天然轻质骨料，由于其天然形成过程的不可控因素，使得自身的结构存在一定程度的缺陷，成分不稳定且杂质含量较高，导致各部分性质不匀，使用温度受到限制，一般均不高于1200℃。

鉴于天然轻质骨料的弊端，本文开发高性能轻质浇注料立足于采用人工合成的轻质骨料。人工合成轻质骨料的纯度高、成分均匀，高温性能更为优越。如电熔喷吹氧化铝空心球、复相空心球、微孔莫来石等。对于1200～1500℃的目标使用温度范围，氧化铝空心球类轻骨料存在Al2O3含量富余及价格昂贵等问题，因此，本工作中对轻质骨料的选择以合成微孔轻质莫来石骨料及复相空心球为主。两种轻质骨料的理化指标如表1所示。

表1 两种轻质骨料的性能指标

2、实验方案

2.1主要原料

本工作所用原料除合成轻质莫来石和复相空心球以外，还有高铝矾土熟料、漂珠、蓝晶石、二氧化硅微粉、氧化铝微粉、纯铝酸钙水泥、矾土生粉、红柱石等。原料的化学分析如表2所示。

表2 所用原料的化学成分(wt%)

2.2试验配方

在该部分轻质骨料的优选工作中，以复相空心球逐渐替代轻质莫来石，替代量从0增加至40%，具体配方如表3所示。

表3 轻质骨料优选试验配方(wt%)

2.3制样过程

按表3的比例准确称量各种原料，加入搅拌机中先干混2min，后加水搅拌均匀，振动浇注成40mm×40mm×160mm的条形样，养护24h再经110℃×24h烘干，1350℃×3h热处理后备用。分别按有关标准检测体积密度、加热永久线变化、常温抗折强度、常温耐压强度、导热系数等指标。

3、结果与讨论

3.1骨料种类对轻质浇注料抗折强度的影响

轻质浇注料中，浇注料的主要部分靠轻质骨料来支撑，因此如果骨料的强度偏低，势必造成浇注料的强度偏低。

图1为不同温度处理后的Q1和Q5常温强度。其中，CMOR为常温抗折强度，CCS为常温耐压强度。

图1 经不同温度处理后Q1和Q5的常温强度

可以看出，由于骨料复相空心球的强度明显高于轻质莫来石骨料的强度，因此选用复相空心球作骨料的试样Q5的强度明显高于轻质莫来石骨料的试样Q1的强度。因此，为保证轻质浇注料足够的常温及高温强度，本次实验骨料选用轻质莫来石和复相空心球复合使用。

3.2复相空心球比例对轻质浇注料体积密度的影响

图2为用复相空心球取代轻质莫来石骨料后体积密度的变化。由于轻质莫来石骨料的堆积密度为0.80g/cm3，而复相空心球的堆积密度为0.60g/cm3，因此随着复相空心球加入量的提高，浇注料的体积密度呈下降趋势。当取代40%的轻质莫来石时，试样110℃×24h烘后体积密度由1.86g/cm3下降到1.68g/cm3。复相空心球对降低浇注料的体积密度有比较明显的效果。

图2 复相空心球加入量对浇注料体积密度的影响图

3.3复相空心球比例对轻质浇注料常温耐压强度的影响

图3为加入不同比例的复相空心球后浇注料耐压强度的变化趋势，由于骨料复相空心球的强度明显高于轻质莫来石骨料的强度，并且复相空心球相比轻质莫来石骨料相对致密，吸水率较低，浇注料的加水量呈下降趋势，因此浇注料烘干后和高温烧成后的耐压强度呈上升趋势，热处理后的耐压强度由Q1的25.2MPa上升到Q4的52.6MPa。因此引入复相空心球后可明显提高浇注料的强度。

图3复相空心球加入量对浇注料常温耐压强度的影响图复相空心球加入比例

3.4复相空心球比例对轻质浇注料导热系数的影响

试样经1350℃×3h热处理后检测其导热系数，研究不同复相空心球含量对浇注料导热系数的影响，由图4可以看出：复相空心球由于含有复相空心结构，内部的封闭气孔有很好的隔热性能，因此添加复相空心球后浇注料的导热系数降低，试样Q1、Q5的导热系数分别为0.852W/(m·K)、0.682W/(m·K)，但由于复相空心球的气孔直径较大，由传热学原理可知，降低材料导热系数的效果有限。

图4 复相空心球对浇注料导热系数的影响图

4、结论

(1) 采用复相空心球取代轻质莫来石骨料，降低了浇注料的加水量，同时可以明显提高轻质高铝浇注料的常温强度。

(2) 复相空心球由于含有复相空心结构，内部的封闭气孔有很好的隔热性能，因此添加复相空心球后浇注料的导热系数降低，但同时由于复相空心球的气孔直径较大，降低材料导热系数的效果有限。

(3) 采用复相空心球和轻质莫来石微孔骨料复合骨料开发的高性能轻质高铝浇注料具有较低的导热系数、较高的高温强度及体积稳定性，用于多种工业炉1200～1500℃的高温部位炉，节能成效显著，取得了较好的使用效果，经济效益和社会效益显著。