馬北越 曹瑞琦 慕鑫
耐火材料在冶金、石油化工、玻璃、陶瓷等高溫工業的窯爐中應用極為廣泛。在服役過程中，耐火材料受高溫熔體、熔渣、氣體侵蝕，或因溫度急劇變化引起結構破壞與剝落，導致其工作性能失效，需要定期更換，這就產生了大量的用后耐火材料。當前，國內對用后耐火材料多采用掩埋、堆積存放或降級處理等較為粗放的處理方式。用后耐火材料的利用，主要有以下3種處理方式：一是破碎為原料，制備新的耐火材料；二是作為冶金輔料用于冶金流程；三是經過修復處理后繼續使用。鋼包用內襯及連鑄用耐火材料等氧化鋁質耐火材料，經過揀選、分離侵蝕層、破碎等步驟后可實現回收利用。其中，含鐵廢料可作為燒結配料，不含鐵廢料作為造渣劑等冶金輔料加以利用。未侵蝕部分經過分級破碎，依據不同粒徑，作為耐火材料的骨料使用。
輕質耐火骨料是一類具備低體積密度和優良耐高溫性能的材料。綜合考量成本、制備工藝以及骨料性能，原位分解發泡法具有環境友好、成本低廉且易于控制微觀結構等優勢備受關注。制備的輕質耐火骨料能夠部分或全部替代普通澆注料中的骨料，使澆注料具備較低的熱導率、更優的隔熱性能，可有效減少能量損耗和熱量傳導，提升能源利用效率，在高溫工業具有良好的發展前景。
本實驗使用的材料為連鑄用后鋁碳質耐火材料及菱鎂礦尾礦。在用后氧化鋁質耐火材料的化學成分中，Al2O3含量為43.76%、C為24.00%、SiO2為27.83%。菱鎂礦尾礦的化學成分中SiO2含量為7.14%、MgO為46.59%、LOI為44.99%。
將一定量的用后鋁碳質耐火材料設為100%，菱鎂礦尾礦按照質量分數0%、30%、60%、90%進行原料配比。為探究輕質骨料對剛玉—尖晶石基澆注料的影響，設計輕質骨料替代的質量分數為10%及20%為研究方案。
除掉鋁碳質耐火材料表面變質層后，將其破碎研磨成粒徑小于200μm的粉末。將菱鎂礦尾礦研磨到粒徑小于150μm。將上述原料按照比例稱量配料，置于臥式行星球磨機內球磨混料。將混勻的原料壓制成圓柱生坯，并置于高溫箱式電阻爐內按照設定的升溫制度燒結，冷卻后得到輕質骨料試樣。將輕質骨料試樣按一定粒度破碎后，按照所需的原料配比，稱取相應質量及粒徑的原料倒入膠砂攪拌機中混煉。混煉后的澆注料經振動成型、養護及高溫熱處理后得到澆注料試樣。
對不同原料配比的樣品進行XRD（X射線衍射）圖譜分析，可知加入菱鎂礦尾礦后，試樣中生成MgAl2O4相與Mg2SiO4相，兩者的衍射峰強度隨著菱鎂礦尾礦添加量的增加而增強。MgAl2O4相主要在菱鎂礦尾礦添加量低于60%時生成，并且在30%時已成為試樣的主晶相。
對其顯微結構研究發現，隨著菱鎂礦尾礦添加量的增加，試樣表面的孔道數量呈現先降后增的趨勢，這是因為添加量為30%、60%時，生成較多MgAl2O4相，具有致密的晶體結構，填充了試樣內部孔道與空隙，導致試樣表面孔道減少。菱鎂礦尾礦添加量再增大時，MgAl2O4相生成反應結束，菱鎂礦尾礦分解產生的氣體逸出，在試樣表面及內部形成了大量氣孔。為了樣品的輕質化，可添加菱鎂礦尾礦使其分解生成孔洞。
對輕質骨料加入剛玉-尖晶石基澆注料的XRD圖譜分析可以看出，澆注料試樣主要由Al2O3相與MgAl2O4相組成。隨著輕質骨料的加入，澆注料試樣中Al2O3相衍射峰強度逐漸降低，MgAl2O4相峰強逐漸升高。
觀察澆注料試樣微觀形貌可見，未添加輕質骨料時，試樣主要由板狀剛玉骨料與基質構成。骨料與基質結合不夠緊密，但整體結構較致密，表面氣孔數量較少。添加輕質骨料后，試樣表面出現大量氣孔，且氣孔數量隨著添加量增加而逐漸增多。由此可見，引入輕質骨料能夠為試樣構建大量孔道結構，對試樣輕量化與多孔化十分有利。此外，在添加輕質骨料后，澆注料試樣中骨料與基質結合邊界層變得模糊，形成了緊密結合的狀態。這是因為輕質骨料具有氣孔率高、比表面積大的特點，其燒結活性更高，二次燒結現象顯著，在一定程度上能夠促進骨料與基質之間的結合。
測量樣品的熱導率得知，隨著輕質骨料添加量增加，試樣熱導率明顯下降。輕質骨料的多孔結構，能夠減少熱傳導路徑，阻礙熱量傳遞，從而降低澆注料的熱導率。由此可見，通過引入輕質骨料，能夠提高澆注料的隔熱保溫能力，降低冶金窯爐能耗，從而達到節能環保的作用。
（作者分別系東北大學冶金學院教授兼博導、博士生、碩士畢業生）
