剛玉基澆注料具有優良的高溫性能，在冶金、建材、石油化工等行業廣泛應用。鋁酸鈣水泥對剛玉基澆注料性能的影響一直受到人們的關注。一般通過加入少量SiO2微粉來提高剛玉基澆注料的流動性，進而改善其性能，這就使得在使用過程中較低的溫度下生成如黃長石和鈣長石等低熔點物相，影響了澆注料的高溫性能。尤其是在強化還原氣氛中，SiO2通過氣相揮發導致材料損毀。因此，應盡量減少甚至不引入SiO2。新型分散劑的應用以及澆注料技術的發展，使人們成功研制了高性能、無SiO2的剛玉基澆注料，但對這種剛玉基澆注料的研究較少且多側重于常溫強度，為此，本工作較系統地研究了水泥加入量對剛玉基澆注料性能的影響。
1 試驗
試驗原料為：電熔白剛玉顆粒（w（Al2O3）≥98.9%）及細粉（w（Al2O3）≥99.1%）；α—Al2O3微粉（w（Al2O3）≥98.9%，d50=1.8um）；Alphabond300（w（Al2O3）≥88%，w（CaO）≤0.1%，d50=6um）；純鋁酸鈣水泥（Secar71，w（Al2O3）=69.4%，w（CaO）=29.8%）等。
骨料與細粉的質量比固定為70:30，骨料臨界粒度為5mm，采用多級粒度配料。試驗中，骨料部分固定不變，改變基質料中各成分的比例（見表1）。澆注料基質的流變性用NXS—11A型旋轉粘度計測試，試驗時加水量為基質的15%。澆注料加水量為4.2%，振動澆注成25mm×25mm×125mm的試樣，室溫養護24h后脫模，經110℃烘干后分別與800℃、1100℃、1400℃和1600℃保溫3h煅燒。燒后試樣一部分用于測試常溫性能（顯氣孔率、體積密度和先變化率），一部分在相對應的熱處理溫度下（1600℃燒后試樣除外）測其熱態抗折強度，其中1600℃燒后試樣的熱態抗折強度在1400℃下測定。
表1 試驗所用澆注料基質的配比（w）
考慮澆注料首次使用后，其礦相和結構已基本形成，隨后澆注料長時間在其礦相和結構已較穩定條件下使用，因此，本試驗用1600℃燒后的試驗進行了抗熱震和抗渣試驗。
用熱震后的抗折強度保持率來評價澆注料的抗熱震性能。將1600℃燒后試樣一組測其冷態抗折強度R0，一組經不同溫度水冷1次后測其殘余抗折強度Rr，用Rr、R0計算其強度保持率，熱震溫差分別為400℃、550℃、700℃、900℃和1100℃。
抗渣試驗采用靜態坩堝法，坩堝外形尺寸為Φ50mm×50mm，內孔為Φ20mm×25mm。坩堝經1600℃保溫3h預燒，裝渣后在1600℃保溫3h進行渣蝕試驗。試驗用渣為某鋼廠鋼包精煉渣，其化學組成（w）為：CaO 54.5%，SiO2 19.9%，Al2O3 10.0%，MgO 8.7%，Fe2O3 5.0%，TiO2 0.9；w（CaO）：w（SiO2）=2.74。
2 結果與討論
2.1 澆注料基質的流變性
不同水泥含量澆注料基質的流變曲線。鋁酸鈣水泥含量一定時，隨著剪切速率的增加，澆注料基質的剪切應力逐漸增加，曲線斜率越來越大，即基質的粘度隨剪切速率的增加而增大，表明澆注料的基質屬脹性流體；剪切速率一定時，隨水泥加入量增大，對應的粘度增加，澆注料流動性變差，說明水泥加入量增大對澆注料流動性不利。
2.2 剛玉基澆注料的常溫性能
抗渣試驗采用靜態坩堝法，坩堝外形尺寸為Φ50mm×50mm，內孔為Φ20mm×25mm。坩堝經1600℃保溫3h預燒，裝渣后在1600℃保溫3h進行渣蝕試驗。試驗用渣為某鋼廠鋼包精煉渣，其化學組成（w）為：CaO 54.5%，SiO2 19.9%，Al2O3 10.0%，MgO 8.7%，Fe2O3 5.0%，TiO2 0.9；w（CaO）：w（SiO2）=2.74。
2 結果與討論
2.1 澆注料基質的流變性
不同水泥含量澆注料基質的流變曲線。鋁酸鈣水泥含量一定時，隨著剪切速率的增加，澆注料基質的剪切應力逐漸增加，曲線斜率越來越大，即基質的粘度隨剪切速率的增加而增大，表明澆注料的基質屬脹性流體；剪切速率一定時，隨水泥加入量增大，對應的粘度增加，澆注料流動性變差，說明水泥加入量增大對澆注料流動性不利。
2.2 剛玉基澆注料的常溫性能
不同處理后試樣的顯氣孔率、體積密度以及線變化率。由圖可以得出；隨著水泥加入量增加，烘干試樣的顯氣孔率逐漸降低，這主要是由于水泥量的增加生成了更多的水化物，填充了氣孔；800~1400℃燒后，隨著水泥加入量的增加，試樣的顯氣孔率和體積密度均略有降低，線變化率基本保持不變；1600℃燒后，隨著水泥加入量的增加，試樣的顯氣孔率明顯增加，體積密度呈直線下降，線變化率由收縮變為膨脹。
不同溫度燒后澆注料的基質的XRD圖譜。可以看出：隨熱處理溫度的提高，基質中除剛玉和β—Al2O3之外的物相變化為：七鋁酸十二鈣→二鋁酸鈣→二鋁酸鈣+六鋁酸鈣→六鋁酸鈣。燒成溫度由1400℃提高到1600℃時，六鋁酸鈣的數量明顯增多。六鋁酸鈣的開始生成溫度為1300~1400℃，溫度升高，其生成速度加快，1600℃時六鋁酸鈣結晶程度達到最好，其結晶形態為六方板狀。由圖6可以看出隨水泥加入量的增加，生成六鋁酸鈣的數量增加。六鋁酸鈣的生成過程伴隨有體積膨脹，隨水泥加入量的增加，生成了更多的六鋁酸鈣，膨脹就越明顯。
不同溫度處理后澆注料試樣的常溫抗折強度。可以看出；110℃烘干后，隨水泥加入量的增加強度明顯提高，由不含水泥的5.4MPa逐漸增加到水泥加入量為3.75%的17.2MPa。800℃燒后澆注料試樣的常溫強度主要是烘干強度的延續，隨水泥加入量的增加而提高，其強度在本試驗所有處理溫度中最低，這主要是常溫下的水化結合物由于結構水的脫去而被破壞，而新的陶瓷結合由于溫度偏低尚未形成。1100℃、1400℃和1600℃燒后試樣的冷態抗折強度隨水泥加入量的增加呈明顯的變化規律，即線減小后增大的變化趨勢，其中水泥加入量為0.75%時為最小值。1100℃和1400℃燒后試樣的常溫強度基本相當。1600℃燒后強度與1400℃相比均有大幅度提高，說明1400℃到1600℃之間，隨溫度提高試樣的燒結程度明顯改善。
2.3 剛玉基澆注料的熱態抗折強度
不同溫度處理后的試樣在不同溫度下的熱態抗折強度。可以看出，與常溫強度相似，800℃下試樣的強度為水合結合的延續，隨水泥加入量增加，熱態抗折強度逐漸增加，其數值在所有處理溫度中最小。1100℃及1400℃下（1400℃和1600℃燒后的試樣）的熱態抗折強度隨水泥加入量增加，均表現出先減小后增大的趨勢，水泥加入量為0.75%時強度最小。熱處理后不同水泥含量試樣在1100℃時的熱態抗折強度均達到最大值，這是由于氧化鋁微粉的加入促使試樣在較低溫度下開始燒結，而且1100℃時試樣中幾乎沒有液相，因而具有較高的強度。1400℃下由于生成少量液相使材料的熱態抗折強度降低。而預燒溫度由1400℃提高到1600℃時，由于燒結程度的提高，不同水泥含量試樣的熱態抗折強度均有所提高。
2.4剛玉基澆注料的抗熱震性能
不同熱震溫差下熱震1次后的殘余抗折強度以及強度保持率。結果表明，隨熱震溫差的增加，含水泥試樣的殘余強度以及強度保持率均呈下降趨勢。熱震溫差由400℃到700℃時，其強度以及強度保持率下降較快；700℃到900℃之間下降較平緩；900℃到1100℃時又出現較大幅度的下降。由1100℃熱震后的殘余強度以及強度保持率可以看出，隨水泥加入量的增加，澆注料的抗熱震性能逐漸提高，CA0、CA1、CA3和CA5的強度保持率分別為27.4%、32.5%、32.0%和34.6%。特別是水泥加入量為3.75%的CA5樣，初始強度與不含水泥的CA0相當，熱震后強度為CA0的1.3倍。
剛玉基澆注料的抗渣性能
渣蝕后坩堝的剖面。可以看出，試驗后坩堝中殘渣的量CA0與CA5基本相當，遠多于CA3和CA1。CA1中的渣已完全與坩堝反應，坩堝上不內壁呈蜂窩狀，上部明顯向外張開并有部分裂紋。CA3坩堝有極少量殘渣，渣基本上滲透了整個坩堝上部的側壁，其內壁較疏松，但變形程度明顯好于CA1。坩堝CA0和CA5的抗渣性能明顯優于CA1和CA3，剩余渣量大，坩堝邊界清晰，僅剛過上部三相界面處出現很少侵蝕和少量滲透，而且CA0略好于CA5。
討論
材料的性能取決于其化學組成和組織結構，兩者中任何一個的改變必將引起材料性能的改變。不含水泥的剛玉基澆注料CA0為單一的Al2O3系，因而具有優良的抗渣性能。水泥加入到剛玉基澆注料中，一方面使材料的化學組成由單一的Al2O3系變為Al2O3—CaO系，原料中少量雜質在高溫下產生的液相組成也由于CaO的引入而改變，使其出現液相的溫度降低；另一方面，在無SiO2存在的條件下水泥引入的CaO與Al2O3反應生成板狀六鋁酸鈣，進而使材料的各種性能得到改善。當水泥加入量較少時，澆注料化學組成的影響占主導因素。隨水泥加入量的增加，生成六鋁酸鈣數量增加，六鋁酸鈣多生長在剛玉顆粒表面，和剛玉產生很好的結合，組織結構的影響逐漸起主導作用。因此，溫度高于1100℃后，澆注料的冷態和熱態強度均出現下降低后升高的變化趨勢。抗渣性能也出現當水泥加入量較少時反而變差，隨水泥含量的增加而逐漸提高的變化規律。另外隨水泥加入量的增加，生成六方板狀的六鋁酸鈣，使材料的抗熱震性能得到改善。
結論
（1）水泥加入量的增加，使剛玉基澆注料基質的剪切應力增大，基質粘度增加，降低了澆注料的流動性能。
（2）剛玉基澆注料110℃和800℃處理后的棱、熱態強度均隨水泥加入量的增加而逐漸提高，1100℃、1400℃和1600℃燒后的冷、熱態強度均隨水泥加入量的增加先減少后增大，其中水泥加入量為0.75%時值最小。
（3）隨水泥含量的增加，澆注料中生成更多的六鋁酸鈣，提高了抗熱震性。加入少量水泥使澆注料的抗渣性能降低，隨水泥加入量增加澆注料的抗渣性能逐步改善，在實驗范圍內，水泥加入量為3.75%澆注料的抗渣性能和不含水泥澆注料基本相當。
