氧化鋁空心球具有優良的耐高溫性能及隔熱保溫性能，它廣泛應用于保溫材料和隔熱材料，但由于氧化鋁空心球骨料顆粒呈球面，顆粒之間結合相對較為困難，通過為了不影響氧化鋁空心球磚的高溫性能，采用氧化鋁微粉自結合方式，基質相主要為剛玉相，但此種結合方式，材料的常溫強度較小，材料的燒結性及抗剝落性較差。有研究表面采用SiO2微粉結合，利用SiO2微粉和氧化鋁微粉在基質原位反應生成莫來石，在材料的基質中用莫來石替代基質部分的剛玉相，可提高氧化鋁空心球的抗剝落性。考慮到輕質氧化鋁空心球純度高，磷酸可以與氧化鋁發生原位反應生成磷酸鋁。材料具有良好的中溫強度，并且磷酸鋁約在1700℃左右開始緩慢分解，材料的高溫強度也較好，且材料在使用過程中磷酸鋁還能起到助燒劑的作用。除了無機結合劑，氧化鋁空心球磚還可以采用很多有機結合劑，如：木質磺酸鹽、甲基纖維素等。
低水泥系列耐火澆注料是與傳統的鋁酸鹽水泥耐火澆注料相對比較而言的。傳統鋁酸鹽水泥耐火澆注料的水泥用量一般為12%~30%，水用量為9%~13%。而低水泥耐火澆注料一般采用超微粉技術、高效外加劑和科學的顆粒級配，將水泥用量降至8%以下、水用量降至7%以下。自上世紀以來，低水泥系列耐火澆注料以其成型容易、施工方便、整體性好等原因而廣泛應用在煉鐵、建材、窯爐等各個領域。同時氧化鋁空心球輕質澆注料具有使用溫度高、強度大和熱導率低的特點，因此開發研究性能更為優良的低水泥氧化鋁空心球輕質澆注料具有十分重要的意義。
1 實驗研究
本文通過對主要原料氧化鋁空心球、鋁酸鈣水泥的原料化學組成和礦物相分析，結合CaO—Al2O3系統相圖及制品X—射線衍射的結果進行研究，并通過相關實驗，就低水泥結合氧化鋁空心球輕質澆注料的性能進行了研究。
1.1 原料分析
根據理論研究，實驗采用4種粒級的氧化鋁空心球作為耐火骨料，由于氧化鋁空心球為球形結構，不同粒級球體之間為點接觸，不容易燒結，因此采用α—Al2O3微粉作為耐火粉料，增加球體之間的結合程度，便于燒結。由表1可見，氧化鋁空心球和α—Al2O3主成分均為Al2O3，材料具有良好的高溫性能，其中氧化鋁空心球具有中空結構，也有利于材料具有良好的隔熱性能，適于保溫隔熱材料的使用環境。氧化鋁空心球，α—Al2O3微粉的理化指標如表1所示。
表1 原料的化學組成/%
本課題考慮到材料的使用溫度較高，以及對材料的常溫強度和高溫強度的要求，采用的結合劑時CA—80E鋁酸鈣水泥。由表1可見，鋁酸鈣水泥的主要化學組成為Al2O3、CaO，同時含有微量的SiO2、Fe2O3及R2O3。由圖1的X射線衍射分析可知，CA—80E鋁酸鈣水泥主要礦物相為剛玉、CA、CA2，熔點分別為2050℃、1600℃、1750℃。CA、CA2均具有良好的水化性能，水化產物為水化一鋁酸鈣、水化二鋁酸鈣、水化三鋁酸鈣及部分鋁膠AH3，水化產物有利于提高材料的常溫強度。同時考慮材料的減水性能，實驗采用分散性較好的多聚磷酸鈉作為減水劑。
1.1 相圖分析
由圖2的CaO—Al2O3系統相圖可知，材料若具有良好的高溫性能，材料的總組成點應落在CA6和Al2O3之間。CA6為六方板狀晶體，在1850℃不一致熔，形成剛玉和液相，材料具有良好的高溫性能。通過以上系統相圖、鋁酸鈣水泥的化學組成及礦物組成可知：CA-80E鋁酸鈣水泥的組成點在CA和CA2之間，α—Al2O3組成點靠近Al2O3純物質。CA6中Al2O3含量約為91.6%，經過數學計算，當CA—80E鋁酸鈣水泥的加入量為36.5%時，材料中的總組成點在CA6的理論組成點位置。為實現基質材料中的組成為剛玉和CA6，在材料的基質組成中，CA—80E鋁酸鈣水泥的加入量應控制在36.5%以下。由于材料的基質部分約占總組成的30%，所以CA—80E鋁酸鈣水泥的總加入量應小于11%。根據杠桿規則，如CA—80E鋁酸鈣水泥加入量為7%，材料的理論基質礦物相組成為：CA619.1%和Al2O390.9%。隨著CA—80E鋁酸鈣水泥加入量的減少，材料中的Al2O3的量也會增加。
鋁酸鈣水泥的加入由兩個作用，首先鋁酸鈣水泥可以作為常溫結合劑，隨著水泥加入量增加，材料的常溫強度逐漸增大。其次，鋁酸鈣水泥可以成為高溫的燒結劑，鋁酸鈣水泥的組成點在CA和CA2之間，材料中出現液相的溫度約在1600℃，材料可以達到正常燒結。同時考慮鋁酸鈣水泥中存在有少量堿金屬雜質，所以材料燒成溫度應稍低一些。
1.1 實驗過程
實驗采用5級配料，采用5~3mm、3~2mm、2~1mm、1~0.2mm氧化鋁空心球，耐火粉料為α—Al2O3微粉。材料組成為耐火骨料、耐火粉料、結合劑、減水劑和防爆劑。實驗過程及參數：（1）稱取耐火顆粒料和耐火粉料；（2）混料時間約4min，加水量6%~8%；（3）成型采用振動成型方式，振動時間2min；（4）常溫養護時間24h；（5）烘干溫度110℃，烘干時間24h；（6）燒成溫度1500℃，保溫時間3h；（7）對燒成試樣的體積密度、高溫強度、荷重軟化溫度及礦物組成進行檢測。
2 檢測結果分析
試樣各項性能檢測結果：體積密度1.62g·cm-3，1400℃高溫抗折強度8.0MPa，荷重軟化溫度大于1600℃，熱導率0.85W·（m·K）-1。通過對試樣的X—射線衍射分析可以看出，材料的主要礦物相組成為剛玉、CA6及少量的CA2。少量CA2的存在主要是由于試樣的燒成溫度低一級保溫時間較短所致，而少量的CA2不會對材料的高溫性能有太大影響。與類似輕質澆注料相比，本輕質澆注料的各項性能良好，使用溫度在1650℃以上。
3 結論
本文通過對原料的化學組成和礦物分析，結合CaO—Al2O3系統相圖進行計算，并對材料的各項性能進行檢測，檢測結果表明：低水泥結合氧化鋁空心球輕質澆注料的應用時可行的，鋁酸鈣水泥的使用有利于氧化鋁空心球輕質澆注料的常溫強度的提高，對材料的高溫燒成具有助燒劑作用，燒后試樣的主要礦物組成均為高溫相，試驗的各項性能良好。
