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，通过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。有研究表面采用SiO₂微粉结合，利用SiO₂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替代基质部分的刚玉相，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。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。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铁、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铝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—Al₂O₃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—Al₂O₃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—Al₂O₃主成分均为Al₂O₃，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—Al₂O₃微粉的理化指标如表1所示。

表1  原料的化学组成/%

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，采用的结合剂时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Al₂O₃、CaO，同时含有微量的SiO₂、Fe₂O₃及R₂O₃。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、CA2，熔点分别为2050℃、1600℃、1750℃。CA、CA2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AH₃，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。

1.1 相图分析

由图2的CaO—Al₂O₃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CA₆和Al₂O₃之间。CA₆为六方板状晶体，在1850℃不一致熔，形成刚玉和液相，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CA₂之间，α—Al₂O₃组成点靠近Al₂O₃纯物质。CA₆中Al2O3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CA6的理论组成点位置。为实现基质材料中的组成为刚玉和CA₆，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：CA₆19.1%和Al₂O₃90.9%。随着CA—80E铝酸钙水泥加入量的减少，材料中的Al₂O₃的量也会增加。

铝酸钙水泥的加入由两个作用，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，铝酸钙水泥的组成点在CA和CA₂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。

1.1 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—Al₂O₃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）对烧成试样的体积密度、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—射线衍射分析可以看出，材料的主要矿物相组成为刚玉、CA₆及少量的CA₂。少量CA₂的存在主要是由于试样的烧成温度低一级保温时间较短所致，而少量的CA₂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—Al₂O₃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时可行的，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，试验的各项性能良好。