Al2O3-SiO2系耐火澆注料的技術進步主要體現在Al2O3-SiO2-CaO三元系統高溫性能的提高上。所採用的主要方法是降低澆注料中水泥的用量。早期的Al2O3-SiO2系澆注料採用礬土水泥結合,例如,在普通矽酸鹽水泥結合的矽酸鋁質澆注料中水泥加入量就達15%~35%。由於礬土水泥中CaO含量相當高,澆注料中的CaO含量達3%~11%,CaO與澆注料中的Al2O3和SiO2反應生成生成熔點相對低的鈣長石(CaO·Al2O3·2SiO2)和鈣鋁黃長石(2CaO·Al2O3·SiO2),這就降低了矽酸鋁澆注料的耐火度和高溫結合強度等高溫性能,使其抗侵蝕和抗衝刷性能下降,從而使得它們只能在1300℃以下使用。
此外,這種澆注料養護強度有賴於水泥結合劑中各種水化物形成凝膠,加熱時水化物脫水,在800℃~1000℃之間由於水化物結構和陶瓷結構更替過程中化學反應導致體積收縮,形成疏鬆狀結構,造成中溫強度降低,從而導致澆注料損毀,這對於普通澆注料的使用性能極為有害。
低水泥澆注料是上世紀80年代以來耐火澆注料發展的潮流。它是在黏土結合火澆注料的基礎上發展來的,其性能優於黏土結合澆注料,它集多種耐火澆注料的優點於一身,如具有良好的觸變性,即拌和料有一定的形態,稍加外力便開始流動,解除外力則保持已獲得的形狀,所以還稱為觸變性耐火澆注料,自流澆注料也屬於此範疇。低水泥澆注料主要是通過採用超微粉、高效分散劑及精確的顆粒級配等,將澆注料中的水泥用量降低至8%以下,使高鋁水泥帶入的CaO含量小於2.5%、用水量降至4%~7%,從而提高了澆注料的性能,如烘乾和燒後線收縮率減小,結構趨向於緻密化,強度提高等。
如今,低水泥耐火澆注料已廣泛用於冶金、石油、化工等行業,並取得了良好的效果。例如,紀國富通過低水泥澆注料在馬鋼均熱爐上從施工,烘爐到正式生產的應用情況,發現在低溫和中高溫時,低水泥澆注料具有耐壓性好、抗折強度高、高溫體積穩定性好等特點,並使均熱爐坑的平均壽命達到3年以上。
然而,低水泥系列耐火澆注料迄今尚沒有準確的定義。早年美國材料測試學會(ASTMC401-2001)和當前國際標準化組織(ISO/DIS1927-1)都根據耐火材料中的CaO含量(主要來自鋁酸鈣水泥),對耐火澆注料進行了如下分類:
澆注料種類CaO%
傳統水泥澆注料(CC)>2.5
低水泥澆注料(LCC)1.0~2.5
超低水泥澆注料(ULCC)0.2~1.0
無水泥或超微粉澆注料≤0.2
目前,低水泥、超低水泥Al2O3-SiO2系澆注料發展迅速。其主要發展趨勢是提高性能(如抗熱震性和抗渣性等),以便提高其使用壽命,擴大應用範圍。為此,人們做了很多研究工作,如通過調整結合系統、引入抗渣或抗熱震性好的組分(如氧化物中ZrO2、Cr2O3,非氧化物中SiC,Sialon等)等來進一步改善低水泥Al2O3-SiO2系澆注料的抗熱震性和抗渣性。根據分析,本課題主要選用ZrO2和SiC作為添加物來改善Al2O3-SiO2系澆注料的抗鉛渣侵蝕性能和熱震穩定性。