隨著煉鋼技術(shù)的發(fā)展，鋼包由原來(lái)功能單一的盛裝鋼水容器轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ芏嘣臓t外精煉設(shè)備。其內(nèi)襯耐火材料不僅要承受很高的溫度，而且需要抵抗鋼液和熔渣的沖刷和侵蝕。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)工作襯耐火材料致密高強(qiáng)的追求，一定程度上可增強(qiáng)鋼包用耐火材料的抗沖刷性和抗侵蝕性，但對(duì)抗熱震性不利。而在耐火材料損毀方式中，尤以熱剝落和結(jié)構(gòu)剝落對(duì)襯體使用壽命影響大。研制帶微孔的輕量化原料，使以其為主要原料的耐火制品在保持強(qiáng)度、抗渣性等使用性能不降低的前提下，通過(guò)提高材料內(nèi)部微氣孔率，降低熱導(dǎo)率和結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力，提高抗熱震性并具有一定的保溫性能，意義重大。這種原料用于工作襯可減少熱損失，減輕熱剝落，有利于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命和節(jié)能降耗一體化。目前的輕質(zhì)骨料雖然隔熱性好，但由于其含大量大孔徑氣孔、強(qiáng)度低，不能起到抵抗高溫熔體沖刷和侵蝕的作用，只能使用在非工作層，而不能用作如鋼包用耐火材料等直接與高溫熔體接觸的工作層。

　　目前，關(guān)于輕量化耐火材料的研發(fā)主要集中在耐火制品上，而對(duì)原料的化學(xué)礦物組成、晶體形貌、晶界結(jié)構(gòu)、氣孔結(jié)構(gòu)及分布等與輕量化耐火材料的導(dǎo)熱性、抗熱震性、抗侵蝕性之間內(nèi)在聯(lián)系的研究甚少。日本品川耐火材料公司2010 年開(kāi)發(fā)出一種低導(dǎo)熱型Al2O3-MgO-C 磚，利用一種特殊氧化鋁骨料取代原有的電熔氧化鋁骨料，使得該磚體積密度和熱導(dǎo)率都降低10%左右，而其他性能基本未變，可用于鋼包用耐火材料。有研究人員以工業(yè)氧化鋁為主要起始物料，利用復(fù)合造孔技術(shù)和控制晶界遷移的燒結(jié)理論，通過(guò)起始物料的最佳組合，溫度與時(shí)間的控制，晶間、晶內(nèi)微孔結(jié)構(gòu)及分布與宏觀性能關(guān)系的研究，確定出一種輕量化氧化鋁原料。用其為主原料制備的鋁鎂澆注料，與采用常規(guī)燒結(jié)氧化鋁為主原料的同材質(zhì)澆注料相比，各項(xiàng)使用性能未減弱，而熱震穩(wěn)定性和隔熱性得到了明顯增強(qiáng)。

　　輕量化燒結(jié)氧化鋁的性能

　　理化性能。所開(kāi)發(fā)的輕量化燒結(jié)氧化鋁的性能及其與常規(guī)燒結(jié)氧化鋁的比較見(jiàn)表1。

　　物相組成。研究人員對(duì)所開(kāi)發(fā)的輕量化燒結(jié)氧化鋁作了X-射線衍射(XRD)分析。由其圖譜可知，輕量化燒結(jié)氧化鋁的主晶相為α-Al2O3，有微量的β-Al2O3 相和雜質(zhì)氧化物固溶體。

　　顯微結(jié)構(gòu)分析。觀察輕量化燒結(jié)氧化鋁與常規(guī)燒結(jié)氧化鋁的顯微結(jié)構(gòu)對(duì)比照片可以發(fā)現(xiàn)，兩者斷口形貌特征相似，均呈穿顆粒斷裂；剛玉晶體發(fā)育良好，晶體大小10μm~100μm，彼此交錯(cuò)排列，細(xì)小晶體填充于粗大晶體之間，沒(méi)有液相膠結(jié)晶界。輕量化燒結(jié)氧化鋁在晶內(nèi)晶間擁有更多的封閉氣孔。

　　孔徑分布。觀察輕量化燒結(jié)氧化鋁的孔徑大小分布和孔徑百分比分布圖可知，輕量化燒結(jié)氧化鋁內(nèi)部所含氣孔明顯高于普通燒結(jié)氧化鋁的。前者中位徑為0.492μm，而后者中位徑為0.950μm。

　　輕量化燒結(jié)氧化鋁在澆注料中的應(yīng)用

　　研究人員在氧化鋁-尖晶石澆注料中，用輕量化燒結(jié)氧化鋁逐漸代替普通燒結(jié)氧化鋁骨料，測(cè)試了澆注料的加水量、流動(dòng)值、常溫抗折強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度、抗熱震性、導(dǎo)熱性等性能，采用靜態(tài)坩堝法測(cè)試了澆注料的抗渣性。

　　輕量化燒結(jié)氧化鋁對(duì)澆注料加水量和流動(dòng)值的影響。分析輕量化燒結(jié)剛玉與澆注料加水量、流動(dòng)值的關(guān)系可知，隨著輕量化燒結(jié)氧化鋁的增加，其加水量在4.5%~4.8%，流動(dòng)值在200mm~220mm的范圍，波動(dòng)不大。加入量為60%時(shí)與加入量為0 時(shí)所用的加水量相同，但此時(shí)澆注料的流動(dòng)性有一定程度的提升。這可能是由于輕量化燒結(jié)剛玉體積密度小、質(zhì)量輕，在相同重量的情況下，骨料部分體積有所增多，改變了顆粒分布，使流動(dòng)性有所增加。這說(shuō)明輕量化燒結(jié)氧化鋁的替代引入，對(duì)氧化鋁-尖晶石澆注料的流動(dòng)性無(wú)負(fù)面影響。

　　輕量化燒結(jié)氧化鋁對(duì)澆注料體積密度和顯氣孔率的影響。隨著輕量化燒結(jié)氧化鋁加入量的增加，經(jīng)不同溫度熱處理后澆注料的體積密度均有所降低，而顯氣孔率卻變化不明顯，未呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。體積密度減小是因?yàn)檩p量化燒結(jié)氧化鋁自身的體積密度小，隨其加入量增加，澆注料的體積密度下降。顯氣孔率變化不明顯是因?yàn)檩p量化燒結(jié)氧化鋁中的氣孔小且多以封閉氣孔形式存在，其加入量的增多對(duì)澆注料顯氣孔率的影響甚微。這表明，以輕量化燒結(jié)氧化鋁作骨料，有利于澆注料實(shí)現(xiàn)相對(duì)的輕量化。

　　輕量化燒結(jié)氧化鋁對(duì)澆注料常溫抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度的影響。分析輕量化燒結(jié)氧化鋁與澆注料抗折強(qiáng)度的關(guān)系和輕量化燒結(jié)氧化鋁與澆注料耐壓強(qiáng)度關(guān)系可知，隨著輕量化燒結(jié)氧化鋁加入量的增加，氧化鋁-尖晶石澆注料的常溫抗折強(qiáng)度變化不大，甚至還有略微增加。全部替換普通燒結(jié)氧化鋁后，耐壓強(qiáng)度有明顯增高。這說(shuō)明輕量化燒結(jié)氧化鋁內(nèi)部增加的微氣孔對(duì)澆注料的強(qiáng)度影響不大，微孔化材料的界面與基質(zhì)可更好地結(jié)合，從而提高了澆注料的強(qiáng)度。

　　輕量化燒結(jié)氧化鋁對(duì)澆注料抗渣性影響。對(duì)比兩種鋁鎂澆注料坩堝法抗渣試樣的剖面可以發(fā)現(xiàn)，兩者抗渣侵蝕性基本相當(dāng)。這說(shuō)明輕量化燒結(jié)氧化鋁氣孔率的提高，未明顯降低制品的抗渣性，甚至由于微孔化界面與基質(zhì)料在高溫下的結(jié)合程度更好，抗渣滲透性還有略有改善。

　　輕量化燒結(jié)氧化鋁對(duì)澆注料熱震穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性的影響。采用1100℃加熱-水冷一定次數(shù)后觀察裂紋程度法，用標(biāo)磚試樣檢測(cè)了澆注料的熱震穩(wěn)定性。

　　分析輕量化燒結(jié)氧化鋁加入量與澆注料熱震穩(wěn)定性的關(guān)系可知，隨著輕量化燒結(jié)氧化鋁加入量的增加，試樣的熱震穩(wěn)定性呈上升趨勢(shì)。加入量為60%時(shí)最好，為26 次，而采用常規(guī)燒結(jié)氧化鋁的試樣熱震穩(wěn)定性?xún)H為10 次。材料隨著溫度的升降，產(chǎn)生膨脹或收縮，如果膨脹或收縮不能自由發(fā)展時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力達(dá)到一定程度后就會(huì)造成材料損壞。采用常規(guī)燒結(jié)氧化鋁時(shí)熱震穩(wěn)定性相對(duì)差是由于內(nèi)部致密，難以將內(nèi)部應(yīng)力排出，導(dǎo)致產(chǎn)生裂痕，最終剝落、碎裂。而輕量化燒結(jié)氧化鋁中大量存在的微孔有助于釋放熱應(yīng)力，導(dǎo)致澆注料的抗熱震性提高。

　　綜合以上研究成果可以發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)燒結(jié)氧化鋁相比，輕量化燒結(jié)氧化鋁具有體積密度小、內(nèi)部微氣孔含量多、熱導(dǎo)率低等特性，對(duì)提高材料的熱震穩(wěn)定性和降低導(dǎo)熱性有貢獻(xiàn)。

　　同時(shí)，在鋁鎂澆注料中用輕量化燒結(jié)氧化鋁代替常規(guī)燒結(jié)氧化鋁骨料，基本不影響澆注料的加水量和流動(dòng)值，且澆注料的體積密度得到降低，可減少材料的消耗量；同時(shí)，未明顯降低澆注料的常溫強(qiáng)度和抗渣性，甚至還略有改善。

　　此外，全部使用輕量化燒結(jié)氧化鋁代替鋁鎂澆注料中的常規(guī)燒結(jié)氧化鋁，澆注料具有最好的熱震穩(wěn)定性，導(dǎo)熱系數(shù)降低了10%以上。這對(duì)延長(zhǎng)材料的使用壽命和降低熱損耗具有正面作用。