我国高铝矾土资源丰富，但是近年来由于高铝矾土资源的过度无序开采，部分地区曾一度出现优质高铝矾土供需紧张的局面。高铝矾土熟料价格不断上升，但是与此同时其品位却不断下降。另外传统矾土熟料以煅烧天然块料为主，化学成分与性能稳定性差，产品质量波动很大。相比传统生产的高铝矾土熟料，均化矾土生产工艺更加节能环保，可以保证产品质量的稳定性。因此矾土基均化料逐渐受到重视，并得到快速发展。然而，在实际应用中，矾土基均化料和天然矾土熟料的性能差异还没有被充分认识，经过均化的矾土材料的性能也并不一定优于普通的矾土熟料，而且成本较高，并未达到人们满意的效果。

目前，国内小型钢包多使用MgO-SiO₂-H₂O结合矾土基铝镁浇注料。本工作中，以Al₂O₃含量为86%的均化矾土骨料和Al₂O₃含量在88%左右的倒焰窑矾土熟料为骨料制备了MgO-SiO₂-H₂O结合矾土基钢包用铝镁浇注料，对比这两种浇注料的物理性能，在此基础上，通过动态感应炉试验和FactSage 6.2热化学软件分析了矾土骨料种类对试样抗渣性能的影响以及熔渣和骨料的侵蚀反应机理。

试验基础配方（w）如下：86级均化矾土与88级倒焰窑矾土熟料分别按5~3 mm、3~1 mm和1~0 mm 3种粒度依次为30%、20%和20%组成配料，≤0.074 mm的棕刚玉细粉为12%，≤0.074 mm的镁砂细粉为10%，≤2 μm的α-Al₂O₃微粉为5%，≤0.088 mm的SiO₂微粉为3%，外加0.2%的减水剂，试样编号分别命名为HM（均化矾土）和DM（倒焰窑矾土）。试验主要原料的化学组成列于表1。

图1示出了两种矾土骨料的XRD图谱。由图1可见，均化矾土骨料中主要物相为刚玉和钛酸铝，而倒焰窑矾土骨料还含有少量的莫来石相。

将各原料按配比称量后，试样HM、DM分别加水4.6%、5.2%混合均匀后，振动浇注成型为40 mm×40 mm×160 mm的长条试样，室温下养护24 h后脱模取出；再经110 ℃、24 h，1 100 ℃、3 h和1 600 ℃、3 h热处理；然后分别检测烧后试样的永久线变化率（YB/T 5203-1993）、显气孔率和体积密度（YB/T 5200-1993）、常温抗折强度和耐压强度（YB/T 5201-1993）。

抗渣试验采用动态感应炉法，试验装置见图2，试验气氛为空气。其具体过程为：将110 ℃烘烤后的长条试样镶嵌到刚玉-尖晶石质坩埚内，向坩埚中放入6 kg普通钢，通电加热至钢块全部熔化后加入296 g钢包渣，温度控制在1 600 ℃，待钢包渣和钢水完全熔融时开始计时，0.5 h后停炉。其中，钢包渣的化学组成为：SiO₂10.51%，Al₂O₃3.44%，Fe₂O₃29.08%，CaO₄4.75%，MgO 9.27%，TiO₂0.61%，MnO 2.40%。侵蚀试验后沿试样纵向中间位置切开，通过切面外观形状和颜色变化确定熔渣的侵蚀和渗透情况，然后经抛光后镀金，用日本电子株式会社的JSM-6610型扫描电子显微镜观察侵蚀后试样的显微结构，用德国BRUKER公司的QUANTAX200-30型电制冷能谱仪分析试样中物相的成分。

矾土骨料种类与试样性能的关系列于表2。可以看出：试样经1 100 ℃、3 h热处理后，含倒焰窑矾土骨料的试样DM具有较高的体积密度；而经过1 600 ℃、3 h热处理后，含均化矾土骨料的试样HM显气孔率较大，耐压强度和抗折强度较小，线变化率较大。这是因为含有均化矾土骨料的试样骨料与基质之间由于热膨胀系数的不匹配导致生成裂纹，而以倒焰窑矾土为骨料的试样并没有观察到裂纹的存在。裂纹的存在会导致试样的强度降低，显气孔率增大。

图3示出了侵蚀试验后两种矾土试样的侵蚀截面照片。试样的侵蚀面积和渗透面积见图4。从图中可以看出，以均化矾土为骨料的试样HM的抗渣渗透性比以倒焰窑矾土为骨料的试样DM的差，但两者的抗渣侵蚀性相差不大。经1 600 ℃、3 h热处理后，试样HM的显气孔率大于试样DM的显气孔率，所以试样HM的抗渣渗透性较差。

图5（a）和（b）分别示出了抗渣试验后试样HM和试样DM从渣层到原质层的显微结构。从图中可以看出，以均化矾土为骨料的试样HM原质层骨料周围与基质内部都可以观察到微裂纹，而在侵蚀层骨料和基质之间也有微裂纹生成。一方面由于均化矾土骨料的热膨胀系数小于基质，冷却过程中基质会发生较大收缩，骨料收缩较小，基质会受到张应力的作用，从而导致骨料与基质之间发生分离形成裂纹；另一方面，均化矾土骨料含有刚玉相和钛酸铝相且骨料的表面光滑，可能会加剧裂纹的形成。裂纹的存在会对试样的强度、热震性能和抗渣性产生较大影响，更容易使炉渣沿裂纹渗透到浇注料内部，加快渗透速度。而由图5（b）则可以看出，以倒焰窑矾土为骨料的试样DM经高温冷却后发现接近热面附近的骨料周围未观察到裂纹的形成。

图6和图7分别示出了抗渣试验后试样HM与DM的骨料与渣反应界面附近的显微结构。结合能谱分析可知（表3），熔渣与试样骨料反应后主要存在：刚玉(点1和点5)、CA₆(点3、点7和点9)、低熔点相(点2、点4、点6和点8)、复合镁铝尖晶石(点10)。表明熔渣中CaO和SiO₂渗透至矾土骨料晶粒间与骨料中的Al₂O₃和SiO₂反应生成低熔点化合物。而在骨料颗粒表面会生成一层CA₆环带。而反应层外部，熔渣中CaO和SiO₂会与CA₆反应生成低熔点相。由于CA₆反应层的生成，使耐火材料骨料与熔渣的反应由直接溶解变为间接溶解，提高试样抗侵蚀性。同时由于试样基质中有尖晶石生成，当基质与熔渣接触时，镁铝尖晶石吸收渣中的FeO和MnO形成固溶体。

两种浇注料与熔渣可能存在的主要反应如下：

(1）渣和骨料反应

渣中的CaO和SiO₂渗透至矾土骨料内部，和均化矾土骨料中的Al₂O₃及SiO₂反应生成CaO-Al₂O₃-SiO₂系化合物(主要为钙铝黄长石或钙长石)，而反应层中溶解的Al₂O₃与熔渣中的CaO及SiO₂会在环带外形成CaO-Al₂O₃-SiO₂低熔物，反应如式(1)。而CaO渗透至矾土骨料晶粒间会与骨料反应，在颗粒表面生成CA₆，从而提高材料的抗渣侵蚀性，反应如式(2)~(3)。含倒焰窑矾土骨料的试样中存在莫来石相也会与熔渣中CaO和SiO₂发生反应生成低熔相，反应如式(4)。冷却后钙铝黄长石或钙长石逐渐从低熔相中结晶出来，未结晶的以玻璃相形式存在。

CaO+SiO₂+Al₂O₃→CAS₂或C₂AS  (1)

CaO+Al₂O₃→CA₆  (2)

CA₆+CaO+SiO₂→CAS₂或C₂AS  (3)

Al₆Si₂O₁₃+CaO+SiO₂→CAS₂或C₂AS  (4)

(2）渣和基质反应

试样基质中Al₂O₃与MgO反应生成“原位尖晶石”，在渣与耐火材料接触时，方镁石和镁铝尖晶石吸收渣中的FeO和MnO形成固溶体与复合尖晶石，反应如式(5)和式(6)；而基质中的Al₂O₃和SiO₂溶入渣中，与熔渣中的Al₂O₃、CaO及SiO₂形成CaO-Al₂O₃-SiO₂低熔物，冷却后钙铝黄长石或钙长石逐渐从渣层中结晶出来，反应如式(7)。

MgO+FeO+MnO→(Fe,Mn,Mg)O  (5)

FeO+MnO+MgAl₂O₄→(Fe,Mn,Mg)O·(Fe,Al)₂O₃  (6)

CaO+SiO₂+Al₂O₃→CAS₂或C₂AS  (7)

熔渣对耐火材料的侵蚀效果可模拟为向耐火材料中连续添加渣的过程，采用参数〈A〉值来监控。反应方程式为〈R+AS〉（R为耐火材料，S为熔渣），此模型只用于计算骨料与渣的反应。图8(a)和(b)分别给出了1 600 ℃时均化矾土骨料、倒焰窑矾土骨料和熔渣反应时预计生成物的质量与〈A〉值的关系。预计生成物的质量为无穷小时，〈A〉值表示浇注料在熔渣中溶解的难易程度，〈A〉值越大，骨料越难融入渣中，试样的抗侵蚀能力越强。当〈A〉=0时为100 g耐火材料；〈A〉=1时为100 g耐火材料与100 g渣；〈A〉=2时为200 g渣与100 g耐火材料反应。

从图8可以看出，随着〈A〉值的增加，各体系中的液相量呈上升趋势。均化矾土骨料在〈A〉=0.125时开始生成CA₆，随着〈A〉值的增加，刚玉和CA₆分别在〈A〉为0.300和0.575时突然降到无穷小，表明CA₆比刚玉抗侵蚀能力更强。不同的是倒焰窑矾土骨料在〈A〉为0.600时CA₆消失。由此可知，均化矾土骨料/熔渣、倒焰窑矾土骨料/熔渣体系中的Al₂O₃在熔渣中溶解的难易程度相同，但是均化矾土骨料/熔渣体系中CA₆在〈A〉为0.575时消失，而倒焰窑矾土骨料/熔渣体系中CA₆在〈A〉为0.600时消失，说明倒焰窑矾土骨料的抗渣侵蚀性能更好一些，而均化矾土骨料的抗渣侵蚀性较差。但是由于均化矾土骨料化学成分以及显微结构均匀，短期内侵蚀差别并不大。

（1）1 600 ℃烧后以均化矾土为骨料的试样其体积密度最小，显气孔率最大，线变化率较大，其耐压强度和抗折强度均低于以倒焰窑矾土为骨料的试样。

（2）抗渣试验后，以倒焰窑矾土为骨料的试样其抗渣渗透性能优于以均化矾土为骨料的试样，两者的抗渣侵蚀性能差别不大。

（3）以均化矾土为骨料的试样与熔渣接触部位观察到有裂纹生成，而均化矾土由于表面光滑且含有钛酸铝相可能会加剧这种裂纹的形成。

（4）以倒焰窑矾土为骨料的试样和以均化矾土为骨料的试样与熔渣反应后，有刚玉、复合尖晶石、CA₆、CAS₂、C₂AS共存。热化学模拟结果表明，骨料向渣中溶解反应生成的物相主要为刚玉、CA₆和低熔点相。其中倒焰窑矾土骨料的抗渣侵蚀性略优于均化矾土，但是由于均化矾土骨料化学成分以及显微结构均匀，短期内侵蚀差别并不大。