摘要
近年来，可供耐火材料企业使用的矿物原料在品位和质量上持续下滑，这使得高纯原料的生产成本不断提升。为寻求成本和性能之间的平衡以及资源的合理利用，在耐火材料成分设计时越来越多的目光聚焦于性价比更高的原料。尽管诸多研究指出耐火原料中的杂质会显著地影响耐火材料的服役性能，但目前对杂质元素在耐火材料中作用机理的认识仍不足，这严重制约了不定形耐火材料技术进步和竞争力提升。鉴于此，本工作以活性氧化铝微粉为研究对象，分析了微粉各特征参数对浇注料性能的影响，探讨微粉中杂质Na2O与SiO2对浇注料物相演化、显微结构以及力学性能的影响机理，并尝试通过调控原料中的杂质含量优化材料的性能，真正做到“物尽其用”。通过上述研究，得到以下结论: (1)粒径较小的微粉更容易填充到浇注料骨料和细粉堆积形成的空隙中，这有利于空隙中自由水的排出与致密结构的形成，进而使浇注料获得更好的流动性与力学性能;比表面积更大的微粉能为铝酸钙水泥的水化产物提供更多的成核位点，添加相应微粉的刚玉质浇注料呈现更快的凝结与硬化特性;活性氧化铝微粉中的杂质Na2O与SiO2含量的差异会影响微粉的液相烧结，烧结性能更优的微粉能赋予浇注料更优的力学性能。 (2)调控活性氧化铝微粉中杂质Na2O和SiO2的含量可优化微粉的烧结性能，并进一步提高浇注料的力学性能，但材料的力学性能与活性氧化铝微粉中Na2O与SiO2的含量并不呈现简单的线性相关。当微粉中Na2O/SiO2＞0.5时，活性氧化铝微粉的烧结性能与SiO2的含量呈正相关;当微粉中0.25＜Na2O/SiO2＜0.5时，Na2O与SiO2总含量更高的微粉其烧结性能更优。在浇注料体系中，烧结性能更优的微粉最终给予了材料更优的力学性能。 (3)相较于SiO2，活性氧化铝微粉中的Na2O更容易溶解到水中。微粉中可溶性Na2O含量的增加，会促进水泥的水化，最终导致浇注料的流动性衰减变快。活性氧化铝微粉中Na2O的赋存状态会影响刚玉质浇注料中CA6的原位反应。高温下活性氧化铝微粉中的Na2O会参与低熔相的形成。随着低熔相钙铝黄长石中Na2O含量的增加，液相的生成温度与粘度均逐渐降低。这有利于液相的分散，并促进通过液相反应生成CA6。当活性氧化铝微粉中的Na2O以β-Al2O3形式赋存时，其会阻碍Ca2+的扩散，这不利于固相反应生成CA6。 (4)对于铝镁质浇注料，活性氧化铝微粉中杂质含量尤其是Na2O含量的增加会显著地促进生成CA6与尖晶石的膨胀反应。当活性氧化铝微粉中的Na2O含量由260ppm增至1810ppm，铝镁质浇注料在1500℃烧后的线变化由2.7％增大到4.2％。过大的体积膨胀降低了浇注料烧后致密化程度与强度，并一定程度上弱化铝镁质浇注料的热震稳定性。 (5)CaO-Al2O3-SiO2体系中钛元素的引入会促进液相的生成，故相较于矿化剂MnO，含钛化合物特别是CaTiO3的添加能促进铝镁质浇注料的烧结致密化。活性氧化铝微粉中的杂质Na2O同样能促进液相的生成，在钠元素与钛元素的协同作用下，添加Na2O含量更高活性氧化铝微粉的含TiO2铝镁质浇注料在高温下将生成更多的液相。因此对于含TiO2铝镁质浇注料而言，选择Na2O含量更高的活性氧化铝微粉有利于调控浇注料烧后的体积膨胀。
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