氧化鋁質隔熱耐火材料

隔熱耐火材料是指熱導率和熱容量都比較低，氣孔率高于45%，密度低于1.5 g·cm^-3的耐火材料，也被稱為輕質耐火材料。工業窯爐是消耗能源的主體，將輕質隔熱材料應用于工業窯爐的爐襯或隔熱層等部位，可以減少熱量損失，加快升溫或降溫速度，從而降低能耗和成本，并使爐體質量減輕，窯墻變薄，降低施工費用。因此，隔熱材料是極具發展空間的高效節能材料^[1]。

根據中國耐火材料行業協會統計，自2016—2021年，我國保溫隔熱耐火制品的產量分別為46.72萬噸、51.46萬噸、54.10萬噸、58.9萬噸、62.21萬噸、60.98萬噸。

張久美等^[2]以不同粒度的α-Al₂O₃微粉為主原料，輕燒氧化鎂為添加劑采用發泡法制備了氧化鋁隔熱材料，原料粒度越少，氣孔孔徑越小，強度越高，700 r·min^-1攪拌7 min后料漿中形成的氣孔數量較多且分布較為均勻，坯體完好。陳闊等^[3]以Al₂O₃微粉、SiO₂微粉、氧化鋁空心球(粒度≤3 mm)為主要原料，采用發泡法結合凝膠注模工藝，制備了氣孔孔徑50～100 μm的多孔莫來石基質包裹的氧化鋁空心球試樣，其體積密度為0.71 g·cm^-3，氣孔率為80.2%，常溫耐壓強度為1.81 MPa，600 ℃時的熱導率為 0.467 W·m^-1·K^-1。王剛等^[4]以d₅₀=1.46 μm的煅燒Al₂O₃粉為原料，以十二烷基硫酸三乙醇胺為發泡劑，分別采用凝膠注模工藝、溶膠凝膠工藝和水泥固化工藝三種不同的固化成型方法，制備了Al₂O₃質多孔陶瓷隔熱材料。三種方法制備的多孔陶瓷皆為明顯的球形孔結構，燒后收縮率在11.5%～12.8%，體積密度在0.70～0.75 g·cm^-3，顯氣孔率在80.2%～82.0%，耐壓強度比目前高溫隔熱常用的Al₂O₃多晶纖維板明顯要高，熱導率與Al₂O₃多晶纖維板的相近。王剛等^[5-6]還以氧化鋁粉體為主要原料，采用發泡法結合凝膠注模成型制備了純氧化鋁、氧化鋁-莫來石、氧化鋁-六鋁酸鈣等氧化鋁基多孔材料，具有低密度、高強度、低熱導率等特點，節能效果優異。

劉靜靜等^[7]以板狀剛玉粉、α-Al₂O₃微粉、ρ-Al₂O₃微粉和金屬鋁粉為主要原料，添加不同量的鋸末作為造孔劑，在1 550 ℃保溫 3 h 燒成Al₂O₃質隔熱材料，發現以鋸末作為造孔劑經高溫燒成，材料內部氣孔多為狹縫形開氣孔；氣孔率和平均孔徑增大，熱導率則相應減??；2、2～6和＞18 μm的氣孔對試樣熱導率有顯著影響。因此，在氣孔率一定時，應提高小氣孔的比例，避免大孔的形成，減小平均孔徑，以降低材料的熱導率。胡嬌嬌等^[8]以質量濃度為3%的SiO₂溶膠浸漬的核桃殼粉為造孔劑，以α-Al₂O₃微粉為主原料，在1 550 ℃保溫 3 h制備了Al₂O₃多孔材料，可以獲得低熱導率（200 ℃，0.297 W·m^-1·K^-1）和高耐壓強度（43.5 MPa）的Al₂O₃多孔材料，并在孔中發現了交叉網絡結構的莫來石。朱惠良等^[9]以均化礬土生料為原料，引入炭黑（平均粒度為280 nm的炭黑N990和70 nm的炭黑N774）為造孔劑，經1 500 ℃煅燒形成輕量礬土，大粒度的炭黑N990易于分散，輕量均化礬土氣孔分布均勻且孔徑尺寸相對較小。顧華志等^[10]以α-Al₂O₃微粉、工業Al₂O₃細粉為主要原料，添加少量CaCO₃細粉濕法粉磨后注入模具，經1 800 ℃保溫3 h制備了微孔剛玉骨料，其體積密度為3.1~3.5 g·cm^-3，顯氣孔率在5%左右，閉口氣孔率為8%～13%，800 ℃時的熱導率比板狀剛玉的小19%～42%。

從上述的研究看出，氧化鋁基隔熱材料的制備主要有添加造孔劑法和發泡法。利用添加造孔劑法制備的隔熱材料的微裂紋通常較多，稻殼、鋸末、淀粉、核桃殼粉等燃盡物所造孔通常為不規則孔，且以開口氣孔居多，會顯著影響材料的力學性能，可以考慮引入炭黑，因為炭黑燒盡后所造孔為球形或者類圓形。利用發泡法制備的隔熱材料純度高，不易引入雜質，顯氣孔率高，氣孔孔徑小，形狀規則且力學性能較好。隔熱耐火原料要求質輕但必須具備一定的強度，內部形成封閉的、均勻的圓形微氣孔，可顯著降低其熱導率，且2、2～6和＞18 μm的氣孔對試樣熱導率影響顯著。

徐超等^[11]以粒度分為3、5 和 7 mm的高鋁空心球和≤1 mm的焦寶石為骨料，礬土細粉、α-Al₂O₃微粉、二氧化硅微粉、鋁酸鹽水泥( Secar 71)、廣西黏土為細粉，制備了輕質澆注料，發現高鋁空心球加入量為40%(w)時，澆注料致密度和強度相對最佳。王宇等^[12]利用莫來石來彌補氧化鋁空心球抗熱震性差的缺點，以莫來石為主原料、純鋁酸鈣水泥為結合劑，加入氧化鋁空心球制備了輕質澆注料，預應用于間歇式高溫窯爐工作襯。王玉霞等^[13]以氧化鋁空心球為骨料，以陶瓷空心微珠替代部分高鋁礬土粉、α-Al₂O₃微粉、SiO₂微粉為細粉，鋁酸鈣水泥為結合劑，制備了輕質澆注料，隨著陶瓷空心微珠替代量的增加，體積密度和熱導率下降，但強度也有所下降，其最佳加入量為2%～4%(w)，在ＲH下部槽永久層和環流管永久層使用時，使爐殼溫度下降了68 ℃左右。

徐德亭等^[14]以w（Al₂O₃）=61.52%的輕質骨料、高鋁礬土熟料、漂珠、藍晶石、二氧化硅微粉、氧化鋁微粉、純鋁酸鈣水泥，復合添加淀粉和納米炭黑為造孔劑，制備了輕質高鋁澆注料，經1 500 ℃保溫3h熱處理，體積密度為1.80 g·cm^-3，加熱永久線變化為0.58%，常溫抗折強度和耐壓強度分別為11.8和58.2 MPa，熱導率（1 100 ℃）為0.625 W·m^-1·K^-1，應用在軋鋼加熱爐水冷管效果顯著。方義能等^[15]分別以普通輕質高鋁骨料、輕質高強微孔礬土骨料為骨料、以漂珠、藍晶石和二氧化硅微粉為細粉，以CA70鋁酸鈣水泥為結合劑，制備了高鋁澆注料，發現輕質微孔礬土骨料因為內部孔徑微小化和Al₂O₃含量高使輕質澆注料的強度高、線收縮率小、熱導率高。郭文輝等^[16]比較了以輕質微孔莫來石、高鋁多孔熟料和氧化鋁空心球為骨料，加入堇青石顆粒，以α-Al₂O₃微粉、SiO₂微粉為細粉，CA-75G鋁酸鈣水泥為結合劑的三種高鋁澆注料的性能，發現以輕質微孔莫來石為骨料制備的澆注料的常溫強度和高溫抗折強度較大，熱導率較低。廖佳等^[17]按α-Al₂O₃細粉與微粉質量比為4﹕1配料，引入2%(w)的SiO₂微粉，明顯改善高純氧化鋁輕質隔熱材料的物理性能。顧華志等^[10]并將平均粒徑約為0.6 μm的微孔剛玉骨料為骨料，電熔鎂砂、白剛玉細粉、α-Al₂O₃微粉等為細粉制成鋁鎂澆注料，發現與普通鋁鎂澆注料（市售板狀剛玉為骨料）相比，輕質鋁鎂澆注料的顯氣孔率較大，體積密度較小，1 500 ℃處理后的強度較高，線變化率較小，在600和800 ℃時的熱導率明顯較小。

孫杰等^[18]以高鋁礬土和粉煤灰為主要原料，鋁酸鈣水泥為結合劑，十二烷基硫酸鈉（SDS）為發泡劑，制備了礬土基隔熱澆注料，發泡劑SDS的加入能夠明顯提高試樣的顯氣孔率，降低試樣的熱導率。在 SDS 加入量為0.1%(w)時，試樣顯氣孔率高達45%，試樣在500 ℃時的熱導率僅為0.38 W·m^-1·K^-1。

氧化鋁輕質隔熱材料，因其高氣孔率、低體積密度、小熱容量、低熱導率、抗腐蝕和耐高溫的特點，廣泛應用于1 600 ℃以上的高溫工業窯爐中。Al₂O₃質輕質澆注料的特點是荷重軟化溫度高，強度大，使用溫度高，高溫燒后線變化率較小，但體積密度較其他品種輕質澆注料的大。氧化鋁空心球在澆注料中的應用廣泛，但仍然存在密度大、熱導率高、隔熱效果一般的缺點。而且氧化鋁空心球通常是經電熔吹制而成，會消耗大量的電能。因此高強度、低密度、低熱導率的微孔隔熱材料應運而生，效果優良，但仍然存在所用原料價格昂貴，制備工藝復雜等缺陷，發現直接在澆注料制備中引入發泡劑這一做法效果顯著，但發泡劑用量過多，產生氣泡的能力過強，導致氣孔尺寸變大，出現氣孔串聯，所以發泡劑用量的控制是關鍵。氣孔的孔徑、材料的強度有待進一步研究。