加入氧化鋁或氧化鋯質(zhì)空心球等可制備隔熱性能較好的輕質(zhì)澆注料，但空心球的強度低也影響了輕質(zhì)澆注料的強度。為了提高高鋁空心球輕質(zhì)澆注料的強度，我們首先研究了熱處理溫度對高鋁空心球致密度、強度和物相組成的影響，然后研究了高鋁空心球加入量對輕質(zhì)澆注料性能的影響。

　　試驗

　　1原料

　　試驗中采用的高鋁空心球，其w(Al2O3)≥53%，粒度分為3、5和7mm三級，分別在1300、1330、1360、1390、1420、1450和1480℃保溫3h熱處理后，檢測其體積密度、顯氣孔率(阿基米德排水法)、筒壓強度等，并進行XRD分析。

　　制備輕質(zhì)澆注料的其他原料有:焦寶石，w(Al2O3)≥44%，粒度≤1mm;88礬土細粉;α-Al2O3微粉;二氧化硅微粉;鋁酸鹽水泥(Secar71);廣西黏土;減水劑三聚磷酸鈉和六偏磷酸鈉。

　　2試樣制備

　　按表1配料。先將88礬土細粉、α-Al2O3微粉、二氧化硅微粉、廣西黏土、鋁酸鹽水泥和減水劑在金宏GMJ型球磨機中預混30min制備成預混細粉，然后與高鋁空心球一起放入HOBARTA200C型攪拌機中攪拌2min，再緩慢加入占干料質(zhì)量11.7%的水繼續(xù)攪拌3min。攪拌完成后振動澆注成40mm×40mm×160mm的試樣，自然干燥24h后脫模，于110℃干燥24h后，分別在1100和1300℃保溫3h熱處理。

　　3性能檢測

　　按照GB/T2997—2000(2004)測定燒后試樣的顯氣孔率和體積密度;按照GB/T3001—2000測定燒后試樣的常溫抗折強度和常溫耐壓強度;按照GB/T5988—2004測定試樣的加熱永久線變化，并對燒后試樣進行XRD、SEM分析。

　　結(jié)果與討論

　　1不同溫度熱處理后空心球的性能

　　以不同溫度熱處理前后3mm空心球為例，其致密度、強度和物相組成的變化由于其他兩種粒度的空心球的變化趨勢與3mm的基本相同)。

　　隨著熱處理溫度的升高，空心球的體積密度呈先減小后增大的變化趨勢，顯氣孔率呈先增大后減小的變化趨勢，拐點均為1390℃;筒壓強度呈先增大后減小再增大的變化趨勢，兩個拐點分別為1360和1390℃，以1390℃熱處理后的筒壓強度為最小。

　　沒有經(jīng)過熱處理的空心球的主要物相是剛玉，其次是莫來石，還伴有一定量的方石英和石英;隨著熱處理溫度從1300℃升高到1390℃，剛玉、方石英和石英的衍射峰逐漸減弱直至消失。這是因為空心球中的方石英和石英與剛玉反應生成了莫來石，并有部分方石英和石英熔入玻璃相中。生成莫來石的膨脹效應會導致空心球的致密度減小，而致密度減小又會導致其強度減小;方石英和石英熔入玻璃相中會增大玻璃相的黏度，而玻璃相黏度的增大以及莫來石相的增多則有利于提高空心球的強度。

　　1300～1360℃熱處理后空心球強度的增大可能是因為玻璃相黏度的增大起決定性作用，而1360～1390℃熱處理后空心球強度的減小則可能是因為致密度減小導致的強度減小起決定性作用。熱處理溫度超過1390℃后，剛玉和莫來石的衍射峰變化不大，表明方石英和石英與剛玉之間的莫來石化反應趨于完成，空心球主要發(fā)生燒結(jié)致密化和莫來石晶粒的生長，因此其致密度和強度均逐漸增大。但總體來看，熱處理溫度對空心球致密度和強度的影響均不大。

　　本次研究輕質(zhì)澆注料的目的是替代傳統(tǒng)的致密型鋼包永久層材料，在保持強度不下降的同時，提高永久層的保溫隔熱效果。澆注料所處的工作環(huán)境并不惡劣，最高使用溫度在1300℃左右。從節(jié)約成本的角度來看，可以直接使用未經(jīng)熱處理的空心球(性能與燒后的差別不大)作為骨料制備輕質(zhì)澆注料。

　　2空心球加入量對輕質(zhì)澆注料性能的影響

　　空心球加入量對110℃烘干后澆注料的體積密度和顯氣孔率隨著空心球加入量的增多，烘干后試樣的體積密度從2.00g·cm-3逐漸減小至1.85g·cm-3，而顯氣孔率則從32%逐漸增大至36%。這是因為空心球本身的體積密度小，顯氣孔率大。

　　空心球加入量(w)為30%和35%的試樣的常溫抗折強度和常溫耐壓強度都較低，空心球加入量為40%(w)的試樣的常溫抗折強度和常溫耐壓強度分別達到最高的5.1和28.4MPa，但空心球加入量為45%(w)的試樣的常溫抗折強度和常溫耐壓強度又有所降低。當空心球加入量為40%(w)時，試樣中骨料與細粉的配比達到最佳，不同粒徑的空心球緊密堆積形成骨架，而細粉填充在空心球骨架的空隙中;對于烘干后試樣而言，水泥水化物對基質(zhì)細粉之間及基質(zhì)細粉與空心球之間的結(jié)合作用較弱，試樣的強度主要取決于其結(jié)構(gòu)強度。因此，空心球加入量為40%(w)的試樣強度最大。

　　烘干后澆注料的常溫抗折強度和常溫耐壓強度1100和1300℃熱處理后澆注料試樣的體積密度和顯氣孔率見圖6，常溫抗折強度和常溫耐壓強度見圖7。由圖6、圖7可知:隨著空心球加入量的增多，經(jīng)1100或1300℃熱處理后試樣的體積密度、常溫抗折強度和常溫耐壓強度均逐漸減小，顯氣孔率均逐漸增大。

　　圖6不同溫度熱處理后澆注料的體積密度和顯氣孔率圖7不同溫度熱處理后澆注料的常溫抗折強度和常溫耐壓強度由于試樣細粉中加入了α-Al2O3和廣西黏土，經(jīng)1100℃或1300℃熱處理后，試樣基質(zhì)之間及基質(zhì)與骨料之間都產(chǎn)生了較高的燒結(jié)強度，此時試樣的強度不是像烘干后試樣那樣由其結(jié)構(gòu)強度所決定，而是取決于空心球強度、基質(zhì)細粉之間的結(jié)合強度、基質(zhì)與空心球之間的結(jié)合強度三者之中最弱的。可能是因為經(jīng)1100℃或1300℃熱處理后試樣基質(zhì)細粉之間的結(jié)合強度以及基質(zhì)與空心球之間的結(jié)合強度均高于空心球的強度，因此熱處理后試樣的強度隨空心球加入量的增多而減小。

　　綜合來看，空心球加入量為40%(w)時，烘干及熱處理后澆注料試樣的致密度和強度相對最佳。

　　1300℃熱處理后，空心球加入量為40%(w)的試樣A3的SEM照片。可以看出:左側(cè)為基質(zhì)，存在一些較大的氣孔;右側(cè)為某個空心球的一小部分，包括部分球殼和部分空腔，其球殼厚度約為600μm。空心球與基質(zhì)之間結(jié)合較緊密。

　　結(jié)論

　　1)經(jīng)1300～1480℃高溫熱處理后，高鋁空心球的體積密度和強度變化不大。

　　(2)綜合來看，高鋁空心球加入量為40%(w)時，烘干及熱處理后輕質(zhì)澆注料試樣的致密度和強度相對最佳。