低水泥结合氧化铝空心球轻质浇注料的研究

REFRACTORIES &LIME
Oct.2009Vol.34No.5
氧化铝空心球具有优良的耐高温性能及隔热保温性能，它广泛应用于保温材料和隔热材料，但由于氧化铝空心球骨料颗粒呈球面，颗粒之间结合相对较为困难，通常为了不影响氧化铝空心球砖的高温性能，采用氧化铝微粉自结合方式，基质相主要为刚玉相，但此种结合方式，材料的常温强度较小，材料的烧结性及抗剥落性较差。

有研究[1]表明采用SiO 2微粉结合，利用SiO 2微粉和氧化铝微粉在基质原位反应生成莫来石，在材
料的基质中用莫来石代替基质部分的刚玉相，可提高氧化铝空心球的抗剥落性。

考虑到轻质氧化铝空心球纯度高，磷酸可以与氧化铝发生原位反应生成磷酸铝。

材料具有良好的中温强度，并且磷酸铝约在1700℃左右开始缓慢分解，材料的高温强度也较好，且材料在使用过程中磷酸铝还能起到助烧剂的作用[2]。

除了无机结合剂，氧化铝空心球砖还可以采用很多有机结合剂，如：木质磺酸盐、甲基纤维素等。

低水泥结合氧化铝空心球
轻质浇注料的研究
张国栋
1）
罗旭东
1）
刘海啸
1）
李心慰
2）
（1.辽宁科技大学材料科学与工程学院，鞍山114051；
2.辽宁科技大学无机材料工程中心，鞍山
114051）
摘
要：针对氧化铝空心球的结构特点，采用低水泥结合、浇注成型的方式，对低水泥结合氧化铝空心球轻质
浇注料的可行性进行了研究。

经过相图理论计算、性能检测及X-射线衍射分析，结果表明，铝酸钙水泥不仅有利于提高材料的常温强度，并且对材料的高温烧结具有促进作用，材料的主要矿物组成为CA 6和刚玉，材料的高温性能良好，使用温度可以达到1650℃以上。

关键词：铝酸钙水泥；相图；氧化铝空心球；轻质浇注料中图分类号：TQ175.732
文献标识码：A
文章编号：1673-7792（2009）05-0010-03
Study on Low Cement Bonded Alumina Hollow Ball Light Weight Castable
Zhang Guodong 1)Luo Xudong 1)Liu Haixiao 1)Li Xinwei 2)
(1.College of Material Science and Engineering of Liaoning University of Science and Technology,Anshan 114051,China ；2.Engineering Center of Inorganic Material of Liaoning University of Science and Technology,Anshan 114051,China ）
Abstract ：According to the structure features of alumina hollow ball,a feasibility study is carried out for low cement bonded alumina hollow ball light weight castable through the mode of low cement bonding and casting molding.Through the phase diagram theoretical calculation,property determination and X -ray diffraction analysis,the result shows that calcium aluminate cement is not only favorable to the improve -ment of the cold strength of the material,but also can promote the high temperature sintering of the mate -rial.The major mineral composition of the material is CA 6and corundum.The material has a good high temperature property and its application temperature can reach 1650℃or higher.
Key words ：Calcium aluminate cement ；Phase diagram ；Alumina hollow ball ；Light weight castable
收稿日期：2009-06-20
作者简介：张国栋（1957-），男，教授
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耐火与石灰
2009年10月第34卷第5期
低水泥系列耐火浇注料是与传统的铝酸盐水泥耐火浇注料相对比较而言的。

传统铝酸盐水泥耐火浇注料的水泥用量一般为12%~30%，水用量为9%~13%。

而低水泥耐火浇注料一般采用超微粉技术、高效外加剂和科学的颗粒级配，将水泥用量降至8%以下、水用量降至7%以下[3]。

自上世纪以来，低水泥系列耐火浇注料以其成型容易、施工方便、整体性好等原因而广泛应用在炼钢、建材、窑炉等各个领域。

同时氧化铝空心球轻质浇注料具有使用温度高、强度大和热导率低的特点，因此开发研究性能更为优良的低水泥氧化物空心球轻质浇注料具有十分重要的意义。

1实验研究
本文通过对主要原料氧化铝空心球、铝酸钙
水泥的原料化学组成和矿物相分析，结合CaO-
Al 2O 3系统相图及制品X-射线衍射的结果进行研
究，并通过相关实验，就低水泥结合氧化铝空心球轻质浇注料的性能进行了研究。

1.1原料分析
根据理论[4]研究，实验采用4种粒级的氧化铝
空心球作为耐火骨料，由于氧化铝空心球为球形结构，不同粒级球体之间为点接触，不容易烧结，因此采用α-Al 2O 3微粉作为耐火粉料，增加球体
之间的结合程度，便于烧结。

由表1可见，氧化铝空心球和α-Al 2O 3主成分均为Al 2O 3，材料具有良好的高温性能，其中氧化铝空心球具有中空结构，也有利于材料具有良好的隔热性能，适于保温隔热材料的使用环境。

氧化铝空心球、α-Al 2O 3微粉的理化指标如表1所示。

本课题考虑到材料的使用温度较高，以及对材料的常温强度和高温强度的要求，采用的结合剂是
CA-80E 铝酸钙水泥。

由表1可见，铝酸钙水泥的
主要化学组成为Al 2O 3、CaO ，同时含有微量的
SiO 2、Fe 2O 3及R 2O 3。

由图1的X 射线衍射分析可
知，CA-80E 铝酸钙水泥主要矿物相为刚玉、CA 、
CA 2，熔点分别为2050℃、1600℃、1750℃[5]。

CA 、CA 2均具有良好的水化性能，水化产物为水
化一铝酸钙、水化二铝酸钙、水化三铝酸钙及部分铝胶AH 3，水化产物有利于提高材料的常温强度。

同时考虑材料的减水性能，实验采用分散性较好的多聚磷酸钠作为减水剂。

1.2相图分析
由图2的CaO-Al 2O 3系统相图可知，材料若
具有良好的高温性能，材料的总组成点应落在
CA 6和Al 2O 3之间。

CA 6为六方板状晶体，在1850℃不一致熔，形成刚玉和液相
[2]
，材料具有
良好的高温性能。

通过以上系统相图、铝酸钙水泥的化学组成及矿物组成可知：CA-80E 铝酸钙水泥的组成点在CA 和CA 2之间，α-Al 2O 3组成点靠近Al 2O 3纯物质。

CA 6中Al 2O 3含量约为91.6%，
经过数学计算，当CA-80E 铝酸钙水泥的加入量为36.5%时，材料中的总组成点在CA 6的理论组成点位置。

为实现基质材料中的组成为刚玉和
CA 6，在材料的基质组成中，CA-80E 铝酸钙水泥
的加入量应控制在36.5%以下。

由于材料的基质部分约占总组成的30%，所以CA-80E 铝酸钙水泥的总加入量应小于11%。

根据杠杆规则，如
CA-80E 铝酸钙水泥加入量为7%，材料的理论基
质矿物相组成为：CA 619.1%和Al 2O 390.9%。

随
表1
原料的化学组成/%
原料Al 2O 3SiO 2Fe 2O 3R 2O 3氧化铝空心球
＞99＜0.5＜0.5-α-Al 2O 3
99.630.070.010.06CA-80E 水泥
＞77
＜0.5
＜0.5
＜
0.4
·11·
REFRACTORIES &LIME
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着CA -80E 铝酸钙水泥加入量的减少，材料中Al 2O 3的量也会增加。

铝酸钙水泥的加入有两个作用，首先铝酸钙水泥可以作为常温结合剂，随着水泥加入量增加，
材料的常温强度逐渐增大。

其次，铝酸钙水泥可以成为高温的烧结剂，如图2的相图，铝酸钙水泥的组成点在CA 和CA 2之间，材料中出现液相的温度约在1600℃，材料可以达到正常烧结。

同时考虑铝酸钙水泥中存在有少量碱金属杂质，所以材料烧成温度应稍低一些。

1.3实验过程
实验采用5级配料，采用5~3mm 、3~2mm 、
2~1mm 、1~0.2mm 氧化铝空心球，耐火粉料为α-Al 2O 3微粉。

材料组成为耐火骨料、耐火粉料、结
合剂、减水剂和防爆剂。

实验过程及参数：（1）称取耐火颗粒料和耐火粉料；（2）混料时间约4min ，加水量6%~8%；（3）成型采用振动成型方式，振动时间2min ；（4）常温养护时间24h ；（5）烘干温度
110℃，烘干时间24h ；（6）烧成温度1500℃，保温
时间3h ；（7）对烧后试样的体积密度、高温强度、荷重软化温度及矿物组成进行检测。

2检测结果分析
试样各项性能检测结果：体积密度1.62g ·cm -3，
1400℃高温抗折强度8.0MPa ，荷重软化温度大于1600℃，热导率0.85W ·(m ·K)-1。

通过对试样的X-射线衍射分析（图3）可以看出，材料的主要
矿物组成为刚玉、CA 6及少量的CA 2。

少量CA 2的存在主要是由于试样的烧成温度低以及保温时间较短所致，而少量的CA 2不会对材料的高温性能有太大影响。

与类似轻质浇注料相比，本轻质浇注料的各项性能良好，使用温度在1650℃以上。

3结论
本文通过对原料的化学组成和矿物分析，结
合CaO-Al 2O 3系统相图进行计算，并对材料的各
项性能进行检测，检测结果表明：低水泥结合氧化铝空心球轻质浇注料的应用是可行的，铝酸钙水泥的使用有利于氧化铝空心球轻质浇注料的常温强度的提高，对材料的高温烧成具有助烧剂作用，烧后试样的主要矿物组成均为高温相，试样的各项性能良好。

参考文献
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