傳統(tǒng)的高鋁澆注料輕質(zhì)材質(zhì)由于氣孔孔徑較大，其熱導(dǎo)率較高，只能用于中低溫(≤1200℃)部位。由傳熱學(xué)原理可知，若材料內(nèi)部能形成封閉的圓形微氣孔結(jié)構(gòu)，則可顯著降低其熱導(dǎo)率。為了提高輕質(zhì)高鋁澆注料的性能，在本工作中，通過添加造孔劑等研制了具有較低熱導(dǎo)率、較高強(qiáng)度和體積穩(wěn)定性的高性能輕質(zhì)高鋁澆注料。在多種工業(yè)爐1200~1500℃的高溫部位使用，節(jié)能成就顯著。
1 試驗
1.1 試驗原料
試驗用原料有：合成輕質(zhì)骨料，高鋁礬土熟料、漂珠、藍(lán)晶石、二氧化硅微粉、氧化鋁微粉、純鋁酸鈣水泥，以及造孔劑生礬土粉、紅柱石、淀粉、納米炭黑等。原料的化學(xué)組成見表1。
表1原料的化學(xué)組成
1.2 試樣制備及檢測
按表2配料，在強(qiáng)制式攪拌機(jī)中干混3min，加水濕混2min，振動澆注成40mm×40mm×160mm的試樣。自然養(yǎng)護(hù)1d后脫模，再自然養(yǎng)護(hù)24h。在110℃烘干24h后，在1350℃保溫3h煅燒。
按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢測烘干及煅燒后試樣的體積密度、常溫耐壓強(qiáng)度、熱導(dǎo)率和孔徑分布，并觀察試樣的顯微結(jié)構(gòu)。
表2 試樣的配料組成
2 結(jié)果與討論
2.1 試樣的體積密度
烘干及煅燒后試樣的體積密度見圖1。
圖1 烘干及煅燒后試樣的體積密度
從圖1可以看出：隨著淀粉添加量由0增加至6%(w)，烘干及煅燒后試樣的體積密度均有所減小，這是因為淀粉的體積密度較小。同時添加淀粉和納米炭黑，烘干及煅燒后試樣的體積密度進(jìn)一步減小。添加生礬土或紅柱石對烘干及煅燒后試樣的體積密度影響很小。
2.2 試樣的常溫耐壓強(qiáng)度
烘干及煅燒后試樣的常溫耐壓強(qiáng)度見圖2。
圖2 烘干及煅燒后試樣的常溫耐壓強(qiáng)度
從圖2可以看出：隨著淀粉添加量由0增加至6%(w)，烘干及煅燒后試樣的常溫耐壓強(qiáng)度均略有減小，這是因為澆注料的需水量略有增大。同時添加淀粉和納米炭黑，烘干及煅燒后試樣的常溫耐壓強(qiáng)度進(jìn)一步減小。添加生礬土或紅柱石后，烘干及煅燒后試樣的常溫耐壓強(qiáng)度均略有增大;但是，由于生礬土和紅柱石的促燒結(jié)作用會降低燒后試樣的氣孔率，有違造孔初衷，因此下文不再討論試樣F、H的性能。
2.3 試樣的熱導(dǎo)率
燒后試樣的熱導(dǎo)率見圖3。從圖3可以看出；隨著淀粉添加量由0增加至6%(w)，燒后試樣的熱導(dǎo)率均逐漸減小；同時添加淀粉和納米炭黑，煅燒后試樣的熱導(dǎo)率進(jìn)一步減小。
圖3 燒后試樣的熱導(dǎo)率
2.4 試樣的顯微結(jié)構(gòu)
燒后試樣Q、D6和DC(光片)的顯微結(jié)構(gòu)照片見圖4。可以看出：
圖4 燒后試樣Q、D6和DC的顯微結(jié)構(gòu)
(1)試樣Q基質(zhì)部分較致密，氣孔相對較少，但氣孔直徑較大，多數(shù)氣孔的直徑>15um；
(2)試樣D6基質(zhì)中有較多的微氣孔，且微孔的分布也比較均勻，大多數(shù)氣孔的直徑<15um；
(3)試樣DC基質(zhì)中也有較多的微氣孔，且微孔的分布比試樣D6的更加均勻，大多數(shù)氣孔的直徑<10um。
(4)試樣D6添加了6%(w)的淀粉，由于淀粉的黏度較大，在澆注料中不易分散;而同時添加3%(w)淀粉和0.5%(w)納米炭黑的試樣DC，造孔劑的分散性和澆注料的流動性均改善，因此其微孔結(jié)構(gòu)優(yōu)于試樣D的。
燒后試樣D6和DC的氣孔孔徑分布見圖5。可以看出：試樣DC的孔徑更小，因此其熱導(dǎo)率更低。
圖5 燒后試樣D6和DC的孔徑分布
3 研制澆注料的性能及應(yīng)用
綜合以上試驗結(jié)果，在降低生產(chǎn)成本和滿足高鋁澆注料輕質(zhì)材質(zhì)澆注料使用條件的情況下，通過調(diào)整澆注料的原料組成和粒度組成及添加燒失物等手段，研制了系列高性能輕質(zhì)高鋁澆注料，其中，MLW—1.8牌號的澆注料的理化指標(biāo)見表3。可以看出，該澆注料具有較低的熱導(dǎo)率及較高的強(qiáng)度和體積穩(wěn)定性。
2010年9月，在某公司工業(yè)爐爐墻、爐頂使用MLW-1.8澆注料，工作層共用澆注料115t，比正常爐子少用50t。經(jīng)養(yǎng)護(hù)、烘烤后于2011年元月投入使用，至今已運行近3年。從目前爐況看，至少還能再使用3年。使用MLW-1.8澆注料后，爐子保溫節(jié)能效果明顯，年節(jié)約焦?fàn)t煤氣280000m3，同時改善了爐前工的作業(yè)環(huán)境。
2010年6月，生產(chǎn)的牌號為MLW-1的輕質(zhì)澆注料在某鋼廠2050寬厚板3#軋鋼加熱爐水冷管進(jìn)行試用，取代原用體積密度約為2.40g·cm-3的重質(zhì)高鋁澆注料。施工過程中發(fā)現(xiàn)，該澆注料流動性良好，凝結(jié)硬化時間合適，脫模后強(qiáng)度高，受到施工單位和用戶好評。目前已使用3年多，還在正常使用中，使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過用戶預(yù)期。
4結(jié)語
(1)在高鋁澆注料輕質(zhì)材質(zhì)中添加造孔劑淀粉或納米炭黑后，澆注料的體積密度、熱導(dǎo)率均有所減小，基質(zhì)氣孔孔徑減小，并且同時添加淀粉和納米炭黑的試樣的體密度、強(qiáng)度、熱導(dǎo)率和氣孔孔徑更小。
(2)研制的高性能輕質(zhì)高鋁澆注料具有較低的熱導(dǎo)率、較高的強(qiáng)度及體積穩(wěn)定性，用于多種工業(yè)爐1200~1500℃的高溫部位，節(jié)能成效顯著，取得了較好的使用結(jié)果。