引入輕量化骨料是實(shí)現(xiàn)窯襯耐火材料輕量化的主要途徑。輕量骨料是指在致密骨料的制備過程中，引入適當(dāng)含量的氣孔，合理提高骨料部分的氣孔率，在不顯著改變骨料整體性能的前提下，降低其導(dǎo)熱系數(shù)。輕量骨料被致密的基質(zhì)部分包裹后降低了耐火材料整體的體積密度，既保證了耐火材料整體導(dǎo)熱系數(shù)降低的同時(shí)又不會(huì)犧牲其他各項(xiàng)性能，因此受到了科研工作者的廣泛關(guān)注。目前針對(duì)輕量骨料的制備技術(shù)以及相關(guān)性能研究已有報(bào)道。
輕量骨料的制備方法與多孔陶瓷的較為類似，目前通過添加造孔劑法、凝膠注模法以及原位分解法等方法制備輕量骨料都已被文獻(xiàn)報(bào)道。通過在致密骨料中引入少量氣孔并對(duì)輕量骨料的氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)如孔徑、閉氣孔率等進(jìn)行優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)輕量骨料的多想優(yōu)異性能。目前輕量剛玉骨料以及輕量方鎂石-尖晶石骨料得到了最為廣泛的研究。武漢科技大學(xué)顧華志教授課題組以有機(jī)物為造孔劑，采用凝膠注模法制備了總氣孔率為21.4%、閉氣孔率為12.3%、平均孔徑在0.3~0.5 μm的輕量微孔剛玉骨料。將輕量微孔剛玉骨料引入到剛玉-尖晶石澆注料中與含板狀剛玉的剛玉-尖晶石澆注料進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)輕量骨料降低了澆注料的導(dǎo)熱系數(shù)。從板狀剛玉和微孔剛玉顯微結(jié)構(gòu)的對(duì)比可以看出(圖1)，板狀剛玉中氣孔分布不均勻，氣孔尺寸大小不一，氣孔形狀為狹長型。輕量微孔剛玉骨料內(nèi)部氣孔分布均勻，氣孔形狀多為圓形孔。江蘇晶鑫高溫材料有限公司李正坤等成功開發(fā)了輕燒微孔氧化鋁骨料，體積密度為3.3~3.4 g/cm3，其導(dǎo)熱系數(shù)低于板狀剛玉并且展現(xiàn)出更優(yōu)異的熱震穩(wěn)定性。將輕燒氧化鋁引入到鋁鎂澆注料中替代常規(guī)燒結(jié)氧化鋁骨料，澆注料的導(dǎo)熱系數(shù)下降了10%。輕量剛玉的應(yīng)用不僅降低了窯襯耐火材料整體的導(dǎo)熱系數(shù)，還避免了氣孔尖端的應(yīng)力集中，增強(qiáng)了其熱震穩(wěn)定性。輕量微孔剛玉骨料的引入成功的實(shí)現(xiàn)了鋼包用剛玉-尖晶石澆注料的輕量化。除了輕量剛玉骨料之外，河南科技大學(xué)周寧生等將具有多孔結(jié)構(gòu)的輕燒鋁礬土骨料引入到Al2O3-SiO2澆注料中，探索了高鋁質(zhì)澆注料輕量化的可行性。結(jié)果表明，采用部分輕燒礬土骨料替代致密骨料并未影響澆注料的整體性能。
(a) 板狀剛玉;(b)輕量微孔剛玉
盡管輕量骨料的應(yīng)用降低了重質(zhì)耐火材料整體的導(dǎo)熱系數(shù)，但由于氣孔率較致密骨料有所提高，因此如何在氣孔率提高的前提下保證骨料的抗侵蝕性能成為最近科研工作的重點(diǎn)。付綠平等首先對(duì)比研究了板狀剛玉與輕量微孔剛玉在高鈣渣中的侵蝕機(jī)理。結(jié)果表明，板狀剛玉遭受侵蝕后發(fā)現(xiàn)骨料內(nèi)部有明顯滲透，并且在渣和骨料界面處發(fā)現(xiàn)有CA2和CA6形成;輕量微孔剛玉骨料經(jīng)過侵蝕后，在骨料與渣之間形成一層致密“隔離層”。骨料的氣孔率以及孔徑會(huì)對(duì)其抗渣侵蝕行為產(chǎn)生影響。輕量微孔剛玉中的氣孔直徑較小，減緩了熔渣相骨料內(nèi)部的滲透。為了更為深入的理解輕量微孔剛玉骨料在不同熔渣中的侵蝕行為，該學(xué)者隨后又建立了不同氣孔結(jié)構(gòu)的剛玉骨料在熔渣中的溶解模型。根據(jù)模型計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，剛玉組分相渣中溶解速率過快或者過慢都會(huì)導(dǎo)致剛玉在渣中的持續(xù)溶解。當(dāng)溶解-沉淀過程達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)在渣-剛玉骨料界面處會(huì)形成一層隔離層，結(jié)果如圖2所示。氣孔直徑對(duì)剛玉骨料在渣中的溶解影響最大，氣孔直徑過大時(shí)則會(huì)加速溶解，而氣孔率對(duì)剛玉骨料的溶解影響有限。
(a)溶解過程傳質(zhì)模型;(b)不同氣孔直徑的輕量剛玉在渣中的溶解深度與侵蝕時(shí)間的關(guān)系
除了煉鋼、煉鐵系統(tǒng)用到的輕量微孔剛玉以及微孔礬土之外，近些年輕量化的概念也在水泥回轉(zhuǎn)窯耐火材料中得到了應(yīng)用。為了降低燒成帶方鎂石-尖晶石耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)，武漢科技大學(xué)李楠教授課題組以菱鎂礦和氫氧化鋁為原料，通過原位分解法制備了輕量MgO-Al2O3質(zhì)骨料。菱鎂礦和氫氧化鋁分解后在其假相內(nèi)部產(chǎn)生納米孔，菱鎂礦假相在燒成過程中發(fā)生晶粒重排、長大，致使納米孔消失，最終獲得微米級(jí)開口氣孔。該類輕量骨料氣孔率為42.1%~44.2%，常溫耐壓強(qiáng)度為51.1~52.0 MPa，平均孔徑為10.8~12.1 μm。為了驗(yàn)證輕量方鎂石-尖晶石骨料的抗侵蝕性能，鄢文等以水泥熟料為侵蝕介質(zhì)，考察了輕量方鎂石-尖晶石耐火材料在高溫下的侵蝕機(jī)理。結(jié)果表明，材料中尖晶石組分在水泥中的溶解速率大于方鎂石，在高溫下侵蝕界面的液相粘度增大有利于提高材料抵抗水泥侵蝕的能力。
輕量骨料的應(yīng)用對(duì)于工業(yè)窯爐的隔熱保溫性能以及工業(yè)的節(jié)能減排具有重要作用。與致密骨料相比，輕量耐火骨料顯微結(jié)構(gòu)上的變化也使其服役性能發(fā)生了一系列的變化。盡管氣孔率的升高降低了骨料本身的導(dǎo)熱系數(shù)，但也同時(shí)降低了材料抵抗熔渣滲透與侵蝕的能力。因此目前的輕量骨料都是朝著微孔化的方向進(jìn)行發(fā)展，以期降低渣在輕量骨料中的滲透。隨著低碳節(jié)能理念的推廣以及國家環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，今后輕量骨料也必然會(huì)繼續(xù)優(yōu)化自身顯微結(jié)構(gòu)，向著超高微孔化、超高閉氣孔率的方向進(jìn)行發(fā)展，以適應(yīng)日益嚴(yán)苛的窯爐服役環(huán)境。
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