轻量化烧结刚玉——助力钢包无碳预制砖耐火材料更轻、更环保
近年来，铝镁质浇注料已在各大钢厂的钢包渣线以下工作层部位广泛使用，目前大部分是采用这种浇注料生产成预制砖的形式进行使用，其骨料主要使用电熔白刚玉、棕刚玉或烧结板状刚玉。随着炉外精炼技术的迅速发展，对钢包用耐火材料提出了更高的要求。
隔热耐火材料越靠近工作面，其隔热节能效果越好。随着对节能减排要求的提高，能在工作面直接使用的高强度、耐高温、抗侵蚀的隔热耐火材料的开发研究备受重视。因此，作为直接接触钢水的无碳浇注料，其轻量化发展对于钢铁企业的节能降耗来说是具有重要现实意义的。
在钢包无碳浇注料中，氧化铝骨料在整个砖体中的比例为70%~80%，故骨料性能对整个耐火砖性能的影响非常大。有日本媒体报道了某日本耐火材料公司研发出的一种能充当钢包内衬的高耐用性轻质Al2O3-MgO-C砖，这种砖主要利用一种显气孔率为3.2%、体积密度为3.36g/cm3的特殊氧化铝骨料取代原有的熔融氧化铝骨料，在其他性能基本未变的基础上使Al2O3-MgO-C砖本身的重量和热导率都降低了10%左右。
国内对这方面的研究已经开展，有研究人员采用两种自制的微孔骨料，在铝镁浇注料中替代板状刚玉使用，替代后浇注料的体积密度、热导率更低，抗渣性能略差。基于此，研究人员主要以某公司研制开发的轻量化烧结刚玉和烧结板状刚玉为原料，研究了这两种原料在钢包无碳预制砖中的应用的性能差异。
原料的选用。试验用主要原料有：轻量化烧结刚玉、烧结板状刚玉、电熔镁砂细粉、活性α-Al2O3微粉，以铝硅凝胶粉为结合剂，外加少量减水剂等。
试验过程。研究人员按照事先制定的配比进行配料（A配比中板状刚玉颗粒比例为80%，B配比中轻量化烧结刚玉颗粒比例为80%，其余电熔镁砂细粉、活性α-Al2O3微粉、铝硅凝胶粉等含量均相同），将所配料在搅拌机中干混1分钟~2分钟，加入适量的水，继续搅拌2分钟~3分钟，拌好的料具有较好的施工流动性能，再浇注振动成型为40mm×40mm×160mm长条样，70mm×70mm×70mm、中心为?准(20mm~30mm) ×40mm大小孔的渣埚试样，10mm×50mm测量热膨胀试样，以及180mm×20mm的热导率测定试样。试样在室温下养护24小时后脱模，然后经110℃环境下24小时、1000℃环境下3小时和1550℃环境下3小时高温处理。
研究人员按照YB/T5200标准测量显气孔率和体积密度，按照YB/T5201标准测量抗折强度和耐压强度，按照YB/T4130测量300℃和600℃下的热导率，按照GB/T7320.1标准测试热膨胀率。
同时，研究人员进行了静态抗渣试验：在渣埚试样孔中放入20g转炉终渣，并在1600℃下保温3小时，试样冷却后沿中心线切开，对抗渣情况进行评判。试验用钢渣化学主成分为：SiO2含量7.2%，Al2O3含量39.67%，CaO含量39.49%，MgO含量5.68%，MnO含量1.78%，Fe2O3含量2.37%。
两种刚玉骨料对浇注料一般物理性能的影响。由两组试样经110℃烘烤后，试样B的体积密度比试样A的低0.15g/cm3左右，显气孔率升高约1.0%。这主要是因为添加轻量化烧结刚玉骨料可以小幅度降低试样的体积密度，这种新型刚玉骨料的显气孔率较板状刚玉略高，导致试样的显气孔率稍增大。
两组试样经1000℃处理后的耐压及抗折强度均最低，1550℃处理后的强度最高。对比试样A和试样B的强度指标，可看出两者经不同温度处理后的强度差异不大，其中110℃和1000℃处理后，试样B的强度较试样A的还略大，1550℃处理后的强度略低一些。由此可见，以轻量化烧结刚玉作为骨料对试样强度影响不大，常温及中温强度还有小幅度增大。
由试样A和B经不同温度处理后的线变化率、不同温度下的热导率图可见，经1000℃和1550℃处理后，试样均呈微膨胀，但试样B经1550℃处理后的线变化率较试样A的要低0.2%左右；从300℃和600℃下检测的热导率结果来看，温度升高，试样的热导率也随之升高，试样B的热导率较A的明显要低0.200W/mK左右。可见以轻量化烧结刚玉作为骨料，试样的热导率会明显降低，同时试样仍为微膨胀，且膨胀量会有小幅度减小。
抗渣性能及热膨胀性能。由试样经1600℃静态抗渣试验后的渣埚切面图可见，试样A的抗渣侵蚀和渗透性能都非常好，而试样B的抗侵蚀性能与试样A相当，但抗渗透性要稍差一些，约有2mm的渗透层。抗渗透性能略差一些应与试样的显气孔率偏高有关，轻量化烧结刚玉的显气孔率较板状刚玉略高，导致浇注料试样显气孔率略偏高。由板状刚玉和轻量化烧结刚玉500倍和1000倍下的断面显微结构图可见，板状刚玉的晶粒内部有一些大小在1μm~2μm的封闭气孔，从轻量化烧结刚玉的断面显微结构图来看，其晶粒内部的气孔数量明显比板状刚玉的多，其临界孔径大小在8μm，小孔集中在2μm左右，孔以封闭状态为主。
由试样的从室温升高至1500℃的热线膨胀性能曲线可见，随着温度的升高，试样均呈逐渐增大的趋势。1300℃以前，试样A的膨胀率一直略高于试样B，1300℃~1500℃两者膨胀率相当。
其一，利用轻量化烧结刚玉取代板状刚玉所制备的钢包无碳预制砖，经110℃处理后体积密度下降约0.15g/cm3(约4.5%)，显气孔率升高约1.0%。
其二，添加轻量化烧结刚玉为钢包无碳预制砖骨料对产品的强度影响不大，110℃和1000℃处理后强度有小幅度升高，1550℃高温处理后强度略减小。
其三， 以轻量化烧结刚玉为骨料，所制备的钢包无碳预制砖高温烧后线变化率较以板状刚玉的试样低约0.2%，且在1300℃以下的热线膨胀率较板状刚玉试样低。
其四，以轻量化烧结刚玉为骨料所制备的钢包无碳预制砖，其300℃和600℃下的热导率较使用板状刚玉的低0.200W/mK左右。
其五，以轻量化烧结刚玉为骨料所制备的钢包无碳预制砖的抗渣侵蚀性能与板状刚玉相当，但抗渗透性能略差一些。