摘要:针对传统耐火材料在高温工况下易发生烧结变形、抗热震性差等问题，以刚玉—尖晶石耐火材料为研究对象，采用单因素变量法与正交试验相结合的方式，对骨料粒径级配、基质组分比例及外加剂掺杂量进行配方优化研究。利用高温抗折强度测试仪、热震稳定性试验机、扫描电子显微镜(SEM)等设备，系统分析优化后配方的高温力学性能与微观结构特征。实验体系中引入二氧化硅组分，为莫来石相(3Al₂O₃·2SiO₂)的生成提供物质基础;微观分析结果表明，合理的粒径级配实现了骨料与基质的紧密堆积，外加剂的掺杂促进了基质的低温烧结与高温陶瓷相生成，有效提升了材料的结构致密性与抗损毁性能。

耐火材料是冶金、建材、化工、电力等高温工业领域不可或缺的关键基础材料，其性能直接影响高温窑炉的使用寿命与生产效率。传统耐火材料因配方设计存在不足，常存在骨料与基质堆积密度偏低、高温下液相生成过多、热膨胀系数匹配性差等问题，在长期高温交变载荷作用下易发生剥落、开裂甚至坍塌，严重制约了冶金、水泥等领域高温设备的稳定运行，缩短了使用寿命。基于此，本文以刚玉为骨料、尖晶石为基质，引入氧化铝微粉与氧化镁微粉作为外加剂，采用正交试验设计方法，系统研究骨料粒径级配、基质掺量及外加剂掺杂量对材料高温力学性能与热震稳定性的影响规律，并结合微观结构分析，揭示配方优化与高温稳定性之间的内在联系，旨在开发出一种高性能刚玉—尖晶石耐火材料，满足现代高温工业的应用需求。

1 实验

1.1实验原材料

实验采用工业级高纯颗粒与粉体原料，所有原料使用前均经过筛分、烘干预处理，控制含水率低于0.1%，避免水分对试样成型、烧结及性能测试产生干扰。各原料关键性能指标如下。

电熔刚玉骨料：采用致密电熔白刚玉，Al2O3质量分数≥99.2%，杂质总含量≤0.3%，高温稳定性优异，筛分为3～5 mm、1～3 mm、0～1 mm三个粒级，作为材料骨架骨料。

镁铝尖晶石基质粉：采用合成尖晶石粉体，MgO与Al2O3摩尔比1∶1，D 50=8 μm，有效物相含量≥98%，抗侵蚀与热稳定性能良好，作为基质主料。

二氧化硅微粉：采用高纯硅灰，SiO2含量≥96%，为超细高活性粉体，可与氧化铝反应生成莫来石相，完善材料物相体系。

α-氧化铝微粉：采用高纯煅烧氧化铝，Al2O3含量≥99.5%粒径细小、表面活性高，可促进基质固相烧结。

活性氧化镁微粉：采用高纯度轻烧氧化镁，活性优异，可与氧化铝原位生成尖晶石相，填充材料内部孔隙。

结合剂：选用固含量45%的工业磷酸二氢铝溶液，保障试样常温成型强度，高温下可分解并参与固相反应。

1.2实验仪器与设备

实验设备分为成型、热处理、性能检测、微观表征四大类别。

成型设备：强制式搅拌机、液压成型机、40 mm×40 mm×160 mm标准试样模具。

热处理设备：1 600 ℃高温箱式电阻炉，控温精度±2 ℃。

性能检测设备：高温抗折强度测试仪、热震稳定性试验机、精度0.0001 g电子天平、静水密度测试仪。

微观表征设备：扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、超声波清洗机、离子溅射喷金仪。

1.3试样制备工艺

实验统一采用干混—湿混—压制成型—烘干—高温烧结的标准工艺流程，规范化制备标准试样，具体工艺参数如下。

原料混合：按配方精准称量骨料与粉体原料，先干混3 min实现初步混匀，再加入磷酸二氢铝结合剂湿混5 min，得到均匀塑性泥料。

压制成型：将泥料填入标准模具，在120 MPa压力下保压30 s，压制成40 mm×40 mm×160 mm长方体标准试样。

低温烘干：脱模试样分段烘干，80 ℃保温4 h、120 ℃保温8 h，彻底脱除水分，避免高温烧结开裂。

高温烧结：试样以5 ℃/min的速率升温至1 500 ℃，保温3 h后随炉自然冷却，完成烧结后以备性能检测。

1.4正交试验设计

结合前期单因素预实验结果，本研究选取骨料粒径级配(A)、尖晶石基质掺量(B)、α-氧化铝微粉掺量(C)、活性氧化镁微粉掺量(D)四项对耐火材料高温性能、热震稳定性影响显著的核心工艺因素开展正交试验。各因素均设置3个梯度水平，选用L9(34)正交表进行试验设计，以1 500 ℃高温抗折强度、热震循环后强度损失率作为双重评价指标，系统探究各因素及不同水平对材料综合性能的影响规律。各试验因素具体水平设置如下：骨料粒径级配因素(A)的三个水平配比分别为水平1(3～5 mm∶1～3 mm∶0～1 mm=5∶3∶2)、水平2(3～5 mm∶1～3 mm∶0～1 mm=4∶3∶3)、水平3(3～5 mm∶1～3 mm∶0～1 mm=3∶4∶3);尖晶石基质掺量因素(B)的三个水平分别为15%、20%、25%;α-氧化铝微粉掺量因素(C)的三个水平分别为0.4%、0.6%、0.8%;活性氧化镁微粉掺量因素(D)的三个水平分别为0.1%、0.2%、0.3%。

2 性能测试与微观表征

2.1 高温抗折强度测试

依据GB/T 3002—2017《耐火材料 高温抗折强度试验方法》，采用高温抗折强度测试仪进行测试。测试温度为1 500 ℃，加载速率为0.5 mm/min，每组试样测试5个，取平均值。

2.2 热震稳定性测试

依据GB/T 30873—2014《耐火材料 抗热震性试验方法》进行测试，将试样加热至1 100 ℃，保温30 min，随后迅速取出放入室温水中冷却5 min，完成一次热震循环[1]。重复循环10次后，测试试样的常温抗折强度，计算强度损失率。强度损失率越低，表明热震稳定性越好。

2.3 体积密度与显气孔率测试

采用阿基米德排水法，依据GB/T 2997—2015《致密定形耐火制品体积密度、显气孔率和真气孔率试验方法》进行测试。

2.4 微观结构表征

选取最优配方试样，经打磨、抛光、喷金处理后，采用SEM观察试样的微观形貌，并通过EDS分析试样的元素分布。

3 实验结果与分析

3.1 正交试验结果与最优配方确定

以1 500 ℃高温抗折强度为评价指标进行极差分析，各因素对高温抗折强度的影响主次顺序为：A(骨料粒径级配)>B(尖晶石基质掺量)>C(α-氧化铝微粉掺量)>D(活性氧化镁微粉掺量)。以热震后强度损失率为评价指标，各因素的影响主次顺序为：A>C>B>D[2]。结合极差分析结果与各因素水平的指标均值，确定最优配方组合为A2B3C3D3，即骨料粒径级配为3～5 mm∶1～3 mm∶0～1 mm=4∶3∶3，尖晶石基质掺量25%，α-氧化铝微粉掺量0.8%，α-氧化镁微粉掺量0.3%。体系内统一添加2.0%二氧化硅微粉，作为莫来石相生成的专用原料。所有实验数据均经过三次重复试验验证，数据偏差小于1.5%，测试结果准确有效。

3.2 最优配方试样的物理性能

最优配方试样的体积密度为3.25 g/cm3，显气孔率为12.1%，相较于传统刚玉—尖晶石耐火材料(体积密度约3.0 g/cm3，显气孔率约15%)，该材料体积密度更高，显气孔率更低，表明材料的结构更加致密。

3.3 骨料粒径级配对材料性能的影响

骨料粒径级配是影响耐火材料堆积密度的关键因素。堆积密度越高，材料结构越致密，高温性能越好。当骨料采用A1级配(5∶3∶2)时，大粒径骨料占比过高，骨料间空隙较大，基质难以完全填充，导致材料显气孔率高，高温抗折强度低;采用A3级配(3∶4∶3)时，中粒径骨料占比增加，堆积空隙有所减小，但小粒径骨料占比不足，仍无法实现骨料与基质的紧密堆积，材料结构致密性不足;采用A2级配(4∶3∶3)时，三级粒径骨料实现了紧密堆积，骨料间空隙被基质充分填充，材料结构致密，从而显著提升了高温抗折强度与热震稳定性。

3.4 外加剂对材料性能的影响

α-Al2O3微粉粒径细小，具有较高的表面活性，在高温烧结过程中可与体系内预先添加的SiO2微粉发生高温固相反应，反应方程式为：3Al2O3+ 2SiO2{高温} 3Al2O3·2SiO2，原位生成莫来石相(3Al2O3·2SiO2)，莫来石相具有高熔点、低膨胀系数的特点，能够有效提升材料的高温强度与抗热震性。当α-氧化铝微粉掺量为0.8%时，莫来石相生成量适中，材料性能最佳;若掺量过高，则可能导致材料烧结过度、热膨胀系数增大，热震稳定性下降。活性氧化镁微粉与基质中的Al2O3可发生反应生成镁铝尖晶石相，该反应伴随体积膨胀，能够填充材料内部的微小孔隙，提高结构致密性。同时，尖晶石相的生成可降低材料的玻璃相含量，减少高温下低熔点液相的生成，降低材料烧结变形风险，从而提升材料的高温稳定性。当活性氧化镁微粉掺量为0.3%时，孔隙填充效果最佳，材料性能最优。二氧化硅微粉作为莫来石相必备原料，固定掺量2.0%，与氧化铝微粉匹配反应，确保目标陶瓷相稳定生成，是完善材料物相体系、提升高温性能不可或缺的组分。

3.5 微观结构分析

最优配方试样的SEM形貌图与EDS元素分布图显示，试样中刚玉骨料颗粒排列紧密，基质均匀包裹在骨料表面，骨料与基质之间无明显空隙，材料结构致密。这是由于合理的粒径级配实现了骨料的紧密堆积，外加剂的掺杂促进了基质的烧结，最终形成了致密的微观结构。由EDS元素分布图可知，Al、Mg元素在基质中均匀分布，说明活性氧化镁微粉与Al2O3充分反应生成了镁铝尖晶石相;Si元素在基质中呈点状分布，对应反应生成的莫来石相。莫来石相与尖晶石相的均匀分布，有效增强了骨料与基质的结合强度，提升了材料的高温稳定性。以刚玉为骨料、尖晶石为基质，通过正交试验优化得到的高性能耐火材料最优配方为：骨料粒径级配3～5 mm∶1～3 mm∶0～1 mm=4∶3∶3，尖晶石基质掺量25%，α-Al2O3微粉掺量0.8%，活性氧化镁微粉掺量0.3%。该配方试样在1 500 ℃高温下的抗折强度达28.6 MPa，经1 100 ℃水冷热震循环10次后强度损失率仅为12.3%，体积密度为3.25 g/cm3，显气孔率为12.1%。

4 讨论

耐火材料的高温稳定性由其微观结构与物相组成共同决定。本研究中，骨料粒径级配的优化是提升材料性能的基础，三级粒径的合理配比实现了骨料的紧密堆积，降低了材料的显气孔率，为高温性能的提升提供了结构保障。尖晶石基质的掺量直接影响材料的化学稳定性与力学性能。随着尖晶石掺量增加，材料的抗侵蚀性与高温强度逐渐提升，但过量掺入会导致基质黏度增大，提升烧结难度。因此，本研究确定25%的尖晶石基质掺量为最优值。

二氧化硅微粉与α-氧化铝微粉配伍生成莫来石相，降低了材料的热膨胀系数;活性氧化镁微粉的引入则通过生成尖晶石相填充孔隙，提高了材料的结构致密性。两种外加剂的协同作用，显著提升了材料的高温抗折强度与热震稳定性。除配方因素外，烧结制度对材料性能也具有重要影响。本实验统一采用1 500 ℃保温3 h、升温速率5 ℃/min、随炉自然冷却的烧结制度，既保证了外加剂与基质的充分反应，又避免了过度烧结导致的晶粒长大与结构疏松。

5 结束语

骨料粒径级配是影响材料性能的首要因素，合理的三级粒径级配可实现骨料的紧密堆积，降低材料显气孔率;α-Al2O3微粉与活性氧化镁微粉的协同掺杂，可促进莫来石相与尖晶石相的生成，有效提升材料的高温强度与热震稳定性。最优配方制备的试样微观结构致密，骨料与基质结合紧密，莫来石相与尖晶石相均匀分布，这是材料具备优异高温稳定性的微观原因。本研究开发的高性能刚玉—尖晶石耐火材料具有优异的高温性能，可满足冶金、水泥等高温工业领域的应用需求。