马北越 曹瑞琦 慕鑫
耐火材料在冶金、石油化工、玻璃、陶瓷等高温工业的窑炉中应用极为广泛。在服役过程中，耐火材料受高温熔体、熔渣、气体侵蚀，或因温度急剧变化引起结构破坏与剥落，导致其工作性能失效，需要定期更换，这就产生了大量的用后耐火材料。当前，国内对用后耐火材料多采用掩埋、堆积存放或降级处理等较为粗放的处理方式。用后耐火材料的利用，主要有以下3种处理方式：一是破碎为原料，制备新的耐火材料；二是作为冶金辅料用于冶金流程；三是经过修复处理后继续使用。钢包用内衬及连铸用耐火材料等氧化铝质耐火材料，经过拣选、分离侵蚀层、破碎等步骤后可实现回收利用。其中，含铁废料可作为烧结配料，不含铁废料作为造渣剂等冶金辅料加以利用。未侵蚀部分经过分级破碎，依据不同粒径，作为耐火材料的骨料使用。
轻质耐火骨料是一类具备低体积密度和优良耐高温性能的材料。综合考量成本、制备工艺以及骨料性能，原位分解发泡法具有环境友好、成本低廉且易于控制微观结构等优势备受关注。制备的轻质耐火骨料能够部分或全部替代普通浇注料中的骨料，使浇注料具备较低的热导率、更优的隔热性能，可有效减少能量损耗和热量传导，提升能源利用效率，在高温工业具有良好的发展前景。
本实验使用的材料为连铸用后铝碳质耐火材料及菱镁矿尾矿。在用后氧化铝质耐火材料的化学成分中，Al2O3含量为43.76%、C为24.00%、SiO2为27.83%。菱镁矿尾矿的化学成分中SiO2含量为7.14%、MgO为46.59%、LOI为44.99%。
将一定量的用后铝碳质耐火材料设为100%，菱镁矿尾矿按照质量分数0%、30%、60%、90%进行原料配比。为探究轻质骨料对刚玉—尖晶石基浇注料的影响，设计轻质骨料替代的质量分数为10%及20%为研究方案。
除掉铝碳质耐火材料表面变质层后，将其破碎研磨成粒径小于200μm的粉末。将菱镁矿尾矿研磨到粒径小于150μm。将上述原料按照比例称量配料，置于卧式行星球磨机内球磨混料。将混匀的原料压制成圆柱生坯，并置于高温箱式电阻炉内按照设定的升温制度烧结，冷却后得到轻质骨料试样。将轻质骨料试样按一定粒度破碎后，按照所需的原料配比，称取相应质量及粒径的原料倒入胶砂搅拌机中混炼。混炼后的浇注料经振动成型、养护及高温热处理后得到浇注料试样。
对不同原料配比的样品进行XRD（X射线衍射）图谱分析，可知加入菱镁矿尾矿后，试样中生成MgAl2O4相与Mg2SiO4相，两者的衍射峰强度随着菱镁矿尾矿添加量的增加而增强。MgAl2O4相主要在菱镁矿尾矿添加量低于60%时生成，并且在30%时已成为试样的主晶相。
对其显微结构研究发现，随着菱镁矿尾矿添加量的增加，试样表面的孔道数量呈现先降后增的趋势，这是因为添加量为30%、60%时，生成较多MgAl2O4相，具有致密的晶体结构，填充了试样内部孔道与空隙，导致试样表面孔道减少。菱镁矿尾矿添加量再增大时，MgAl2O4相生成反应结束，菱镁矿尾矿分解产生的气体逸出，在试样表面及内部形成了大量气孔。为了样品的轻质化，可添加菱镁矿尾矿使其分解生成孔洞。
对轻质骨料加入刚玉-尖晶石基浇注料的XRD图谱分析可以看出，浇注料试样主要由Al2O3相与MgAl2O4相组成。随着轻质骨料的加入，浇注料试样中Al2O3相衍射峰强度逐渐降低，MgAl2O4相峰强逐渐升高。
观察浇注料试样微观形貌可见，未添加轻质骨料时，试样主要由板状刚玉骨料与基质构成。骨料与基质结合不够紧密，但整体结构较致密，表面气孔数量较少。添加轻质骨料后，试样表面出现大量气孔，且气孔数量随着添加量增加而逐渐增多。由此可见，引入轻质骨料能够为试样构建大量孔道结构，对试样轻量化与多孔化十分有利。此外，在添加轻质骨料后，浇注料试样中骨料与基质结合边界层变得模糊，形成了紧密结合的状态。这是因为轻质骨料具有气孔率高、比表面积大的特点，其烧结活性更高，二次烧结现象显著，在一定程度上能够促进骨料与基质之间的结合。
测量样品的热导率得知，随着轻质骨料添加量增加，试样热导率明显下降。轻质骨料的多孔结构，能够减少热传导路径，阻碍热量传递，从而降低浇注料的热导率。由此可见，通过引入轻质骨料，能够提高浇注料的隔热保温能力，降低冶金窑炉能耗，从而达到节能环保的作用。
（作者分别系东北大学冶金学院教授兼博导、博士生、硕士毕业生）
