Al?O?-SiC-C質鐵溝澆注料具有高溫強度大、抗渣性好、抗熱震以及抗機械沖刷性能優良等特點，廣泛應用于高爐出鐵溝工作層。但隨著現代高爐的大型化、長壽化發展，出鐵溝內高溫鐵水流速增加，出鐵時間延長，出鐵次數增多，這就要求Al?O?-SiC-C質鐵溝料具有更優異的性能，以適應更惡劣的工作環境。

Al?O?-SiC-C質鐵溝料主要由骨料、細粉、微粉、結合劑和減水劑組成。其中，減水劑是一種在保證澆注料流動性不變的條件下，能有效減少拌和用水量的添加劑。此外，減水劑還可以改善澆注料成型后的致密性、力學性能以及熱力學性能。目前減水劑對Al?O?-SiC-C質鐵溝料性能的影響已有一定研究。高廣震等在研究Al?O?-SC-C質澆注料流動性能時，采用六偏磷酸鈉為減水劑，發現當六偏磷酸鈉摻入量(質量分數，下同)為0.05%時，其流動性最大。逯久昌等報道了三聚磷酸鈉對Al?O?-SiC-C質澆注料流動性能的影響，發現該澆注料流動性能隨著三聚磷酸鈉摻入量的增加先增加后降低，其最佳摻入量為0.025%;OTROJ等對比了聚丙烯酸鈉、檸檬酸鈉、三聚磷酸鈉和六偏磷酸鈉對Al?O?-SiC-C質鐵溝澆注料流動性能的影響，發現與其他3種減水劑相比，聚丙烯酸鈉對流動性能的影響最大，當其摻入量為0.06%時流動性能最佳。從上述分析可知，減水劑對Al?O?-SiC-C質鐵溝澆注料性能影響的研究主要集中在流動性能方面，而對澆注料致密性、力學性能和熱力學性能的影響及影響機理方面的研究卻鮮有報道。

六偏磷酸鈉是鋁酸鹽水泥澆注料常用的一種減水劑，與Ca2+、Mg2+、Al3+和硅微粉等之間的吸附能力極強，在水中易通過物理吸附的形式吸附于顆粒表面，增加顆粒之間的Z電位，從而改善澆注料澆成后的致密性、力學性能和熱力學性能。摻入的六偏磷酸鈉不能過多，過多六偏磷酸鈉電離出來的Na+會破壞帶電粒子之間的雙電層，降低顆粒表面的Z電位。作者通過摻入不同含量六偏磷酸鈉，研究了六偏磷酸鈉對Al?O?-SiC-C質鐵溝澆注料性能的影響及作用機理，以期為六偏磷酸鈉減水劑的使用提供理論指導。

1.1 試樣制備

試驗用骨料為棕剛玉，粒徑分別為5?8mm,3?5mm,~3mm,0~1mm;輔料包括97碳化硅(粒徑分別為0?1mm，≤0.074mm)、白剛玉粉(粒徑≤0.074mm)氧化鋁微粉(粒徑分別為5,2μm)、71拉法基水泥(粒徑≤0.045mm)硅微粉(粒徑≤0.15μm)、99金屬硅(粒徑≤30μm)、炭黑(粒徑≤30μm)、氮化硼(粒徑≤30μm)、六偏磷酸鈉(粒徑≤10μm)。

按照表1進行配料，將配好的原料放入NRJ-411型膠砂攪拌機中攪拌均勻，在攪拌過程中逐漸加入適量水(應滿足施工要求，一般實驗室加水量在3%?5%,質量分數，下同)混濕均勻后，將物料放置在JZ-85型振動臺上分別澆注成尺寸為40mm×40mm×160mm的長方體以及$10mm×50mm和必180mm×30mm的圓柱體，24h自然養護后脫模。脫膜后試樣放入PG-225型烘箱內于110℃保溫24h干燥，然后在SX-32-17型高溫試驗爐內進行燒成，燒成溫度為1450℃,保溫3h后取出冷卻。

表1 試樣組成(質量分數)

1.2 試驗方法

參照GB/T2997—2000,采用XQK-01型顯氣孔體密測定儀測定試樣的體積密度和顯氣孔率;按照GB/T16491—2008,采用CCS-600/20型耐壓抗折強度試驗機測定試樣的耐壓和抗折強度;利用PCY-III型高溫立式膨脹儀測定試樣的線膨脹系數;參照GB/T10294—2008,根據傅里葉一維導熱原理，采用PBI—15-7P型平板導熱儀測定試樣導熱系數。利用Xp ertpro型X射線衍射儀(XRD)對試樣進行物相分析。利用TESCAN MIRA3型場發射掃描電鏡(SEM)對試樣斷面進行微觀形貌觀察。

2.1 六偏磷酸鈉摻入量對加水量的影響

由圖1可以看出：隨著六偏磷酸鈉摻入量的增加，試樣的加水量先減少后增加，當六偏磷酸鈉摻入量為0.10%時，加水量最少。碳化硅、氧化鋁、硅微粉以及鋁酸鹽水泥等粉體顆粒在加水攪拌時容易產生團聚，將游離水包裹在顆粒之間。當摻入六偏磷酸鈉后，六偏磷酸鈉在水中電離出來的陰離子基團與澆注料漿料中水泥和氧化鋁顆粒釋放出來的Ca2?、Mg2?、Al3?等離子具有極強的螯合力，會形成帶負電荷的螯合物;帶負電荷的螯合物以及陰離子基團通過物理吸附的方式吸附于粉體顆粒表面，使得顆粒之間的靜電排斥力增強，包裹于粉體顆粒之間的游離水得到釋放，從而改善了澆注料漿料的流動性，減少加水量。當六偏磷酸鈉的摻入量為0.10%時，顆粒間的靜電排斥力達到最大，游離水得到充分釋放，加水量最少。當六偏磷酸鈉過量時，其電離出的過量Na?對雙電層的壓縮作用增強，使得顆粒表面的雙電層變薄，電位下降，顆粒之間的靜電排斥力減小，顆粒發生團聚包裹游離水，加水量增加。

圖1 試樣加水量隨六偏磷酸鈉摻入量的變化曲線

2.2 六偏磷酸鈉摻入量對致密性的影響

由圖2可知，隨著六偏磷酸鈉摻入量的增加，110℃干燥后試樣的體積密度先增加后減小，顯氣孔率則先減小后增加，當六偏磷酸鈉摻入量為0.10%時，體積密度最大，顯氣孔率最小。由上述分析可知，隨著六偏磷酸鈉摻入量的增加，粉體顆粒之間的靜電排斥力增大，流動性提高，因此物料澆注時更加密實，烘干后體積密度增加，顯氣孔率降低;但六偏磷酸鈉過量又會導致顆粒之間靜電排斥力減小，流動性降低，物料澆注時更加疏松，烘干后體積密度減小，顯氣孔率增加。

圖2  110℃干燥后試樣的體積密度和顯氣孔率隨六偏磷酸鈉摻入量的變化曲線

對比圖2和圖3可知：1450℃燒成后試樣體積密度和顯氣孔率的變化趨勢與110℃干燥后的幾乎類似，但是達到最大體積密度和最小顯氣孔率時的六偏磷酸鈉摻入量增至0.15%;并且1450℃燒成后試樣的體積密度更小，顯氣孔率更大。

圖3 1450℃燒成后試樣的體積密度和顯氣孔率隨六偏磷酸鈉摻入量的變化曲線

由圖4可以看出，在1450℃燒成后，六偏磷酸鈉摻入量為0.10%試樣的斷面存在大量氣孔，并且氣孔分布均勻，結構相對疏松，骨料與基質結合較好。

圖4 六偏磷酸鈉摻入量為0.10%時試樣在1450℃燒成后的SEM形貌

在1450℃下燒成時，試樣中大量結晶水逸出，在原來水分子位置留下空隙，氣孔率增加;而且，在1450℃下會產生液相基質，這些液相基質填充于微小氣孔之間，使得骨料與基質之間的結合變好，因此體積密度增大。結合較好的骨料和基質有助于改善材料的抗侵蝕能力和強度。

2.3 六偏磷酸鈉摻入量對力學性能的影響

由圖5可知:試樣的耐壓強度和抗折強度均隨六偏磷酸鈉摻入量的增加呈現先增大后減小的變化規律，與其體積密度的變化規律相似。這是因為：隨著六偏磷酸鈉摻入量的增加，顆粒間包裹的游離水釋放，澆注料漿料的流動性變好，澆注得更加密實，強度增加;但過量六偏磷酸鈉又會降低顆粒之間的靜電斥力，導致游離水被顆粒包裹，漿料流動性變差，試樣變得疏松，強度降低。與110℃干燥后的相比，1450℃燒成后試樣的耐壓強度和抗折強度更好。

圖5 試樣經110℃干燥和1450℃燒成后抗折強度和耐壓強度隨六偏磷酸鈉摻入量的變化曲線

由圖6可知，在1450℃燒成后，六偏磷酸鈉摻入量為0.10%試樣中剛玉相特征峰強度增加，并出現了莫來石相衍射峰。莫來石相的生成增強了骨料之間的結合作用，有利于提升試樣的強度;同時，在1450℃下產生的液相基質填充顆粒之間的空隙，增強了顆粒之間的結合，從而提升了試樣的強度。因此，1450℃燒成后試樣的強度高于110℃干燥后試樣的。綜上所述，摻入適量的六偏磷酸鈉以及1450℃燒成均可提高Al?O?-SiC-C質鐵溝澆注料的耐壓強度和抗折強度。

圖6 六偏磷酸鈉摻入量為0.10%時試樣經110℃干燥和1450℃燒成后的XRD譜

2.4 六偏磷酸鈉摻入量對熱力學性能的影響

由圖7(a)可知：在1450℃燒成后，六偏磷酸鈉摻入量為0.10%，0.15%試樣的線膨脹系數隨溫度升高呈現先迅速降低后緩慢增加的變化趨勢，且均在370℃時達到最小值，當溫度升至1250℃后線膨脹系數基本保持穩定;六偏磷酸鈉摻入量較低時，試樣的線膨脹系數較大，這應與其內部的致密程度有關。試樣的線膨脹系數不宜過大，過大時試樣受到熱沖擊產生的熱應力也較大，這會縮短其使用壽命。由圖7(b)可知：不同六偏磷酸鈉摻入量下試樣的導熱系數隨溫度升高均先迅速降低，這應與試樣中顯氣孔率增加以及水分的排出有關;當溫度升至350℃及以上時試樣的導熱系數略有下降但下降幅度很小。原因在于試樣中的結晶水逸出導致孔隙增加，平均導熱系數降低。當溫度低于1150℃時，隨著六偏磷酸鈉摻入量的增加，試樣的導熱系數先增后降，與體積密度的變化規律類似，這應與試樣內顯氣孔率的變化有關;溫度高于1150℃以后，隨著六偏磷酸鈉摻入量增加，導熱系數的變化沒有規律，這可能與液相基質的形成以及水化產物的重度燒結有關。

圖7  1450℃燒成后不同六偏磷酸鈉摻入量下試樣的線膨脹系數和導熱系數隨測試溫度的變化曲線

(1)在110℃干燥和1450℃燒成后，Al?O?-SiC-C質鐵溝澆注料的體積密度隨著六偏磷酸鈉摻入量的增加先增加后減小，顯氣孔率則先減小后增加。其中：110℃干燥后，六偏磷酸鈉摻入量為0.10%試樣的體積密度最大，顯氣孔率最小;1450℃燒成后，六偏磷酸鈉摻入量為0.15%時的體積密度最大，顯氣孔率最小。

(2)在110℃干燥和1450℃燒成后，Al?O?-SiC-C質鐵溝澆注料的耐壓強度和抗折強度隨著六偏磷酸鈉摻入量的增加先增加后減小，與其體積密度的變化規律類似。

(3)1450℃燒成后，六偏磷酸鈉摻入量為0.10%,0.15%試樣的線膨脹系數隨測試溫度的升高先迅速降低后緩慢增加，較低摻入量下試樣的線膨脹系數較大;當測試溫度低于1150℃時，隨著六偏磷酸鈉摻入量的增加，試樣的導熱系數先增后降。

(4)綜合考慮致密性、力學性能和熱力學性能要求，六偏磷酸鈉的最佳摻入量為0.10%?0.15%,在該摻入量下，Al?O?-SiC-C質鐵溝澆注料的致密性好，強度高，導熱性能優良。