Al2O3-MgO浇注料因原位生成尖晶石而具有优良的抗侵蚀性，常被用于钢包内衬。然而，原位尖晶石的生成过程中常伴随有体积膨胀，如果配料设计不当，产生过多的膨胀不利于材料的热力学性能与抗侵蚀性。因此，了解该类浇注料中尖晶石的形成机理和在此过程中主要原料所起的作用是很必要的。巴西的研究人员研究了添加不同固含量的氧化铝溶胶、纳米MgO以及纳米AM粉体对Al2O3-MgO浇注料总体线膨胀的影响。
　　试验所用的主要原料有：氧化铝溶胶（W640ZX：固含量40%、W650ZXP：固含量50%、W460ZX：固含量60%）、死烧镁砂（w(MgO)=95%，＜45 μm）、铝酸钙水泥（Secar71）、SiO2微粉（971U）、板状刚玉（＜6 mm）和活性氧化铝微粉（CL370）。试验用Al2O3-MgO浇注料按照q=0.26的Alfred堆积模型设计配料，所进行的试验有：（1）以板状刚玉为骨料，基质中MgO含量为6%、CA水泥含量为6%、SiO2微粉含量为1%，保持氧化铝溶胶固体引入量和活性氧化铝微粉的总量为7%，改变氧化铝溶胶的固体引入量（W640ZX引入固含量2.7%、W650ZXP引入固含量4.1%、W460ZX引入固含量6.1%），加水量均为6%。（2）采用相同的浇注料基础配比，保持氧化铝溶胶固体引入量和活性氧化铝微粉的总量为7%，只采用固含量60%的氧化铝溶胶W460ZX，氧化铝溶胶的加入量依次为1.7%、3.4%、5.1%、6.7%（引入的固体量为1%～4%），CL370的加入量依次为6%、5%、4%、3%，各配方所需加水量依次为4.8%、5.1%、6.0%、6.0%。（3）以15%的活性氧化铝微粉（CL370）和6%的死烧镁砂（w(MgO)=95%，＜45 μm）称料混合，在离心型高能球磨罐中Ar气气氛下研磨2 h，其中铁球与镁砂的质量比为20:1。并对研磨后粉体分别进行XRD和TEM检测，通过TEM检测知研磨后混合粉料的尺寸在30～60 nm范围内。按照浇注料1 500 ℃ 5 h热处理后，化学计量尖晶石的含量为21%设计配料，将研磨所得的AM纳米粉加入到Al2O3-MgO浇注料中，与未加纳米粉的、加入纳米MgO、纳米Al2O3的浇注料做对比，具体配方如表1所示。
表 1 试验配方（w）/%
原料 空白样Ref. Nano-MgO Nano-Al2O3 Nano-AM
(7%) Nano-AM
(14%)
板状刚玉 80 80 80 77.3 74.7
死烧镁砂 6 - 6 4 2
活性氧化铝 7 7 4.3 4.7 2.3
纳米MgO - 6 - - -
纳米Al2O3 - - 2.7 - -
纳米AM - - - 7 14
铝酸钙水泥 6 6 6 6 6
SiO2微粉 1 1 1 1 1
加水量 4.1 4.1 5.4 4.3 4.5
　　配料混均后浇注成φ50 mm×50 mm的圆柱试样，在温度为50 ℃相对湿度为80%的环境下养护24 h，再在110 ℃烘干24 h，最后经600 ℃ 5 h热处理。采用热处理后的圆柱试样（中心带一直径为12.4 mm的内孔）在荷重软化温度测试仪上检测试样的线膨胀。以3 ℃•min-1的加热速率升温到1 500 ℃，保温5 h，并加以0.02 MPa的恒定荷载。选取分别在1 150、1 300和1 500 ℃热处理5 h后的试样，采用XRD进行定量物相分析，采用SEM进行显微结构分析。
　　研究结果显示，当氧化铝溶胶的固含量从40%增加到50%时，可以降低材料的总体线膨胀率，但是当其固含量继续增加到60%时，材料的总体线膨胀率未继续降低，表明氧化铝溶胶对材料的烧结效果改善是有限的；固定氧化铝溶胶（W460ZX）固含量（60%），改变其固体引入量时发现，加入少量的氧化铝溶胶（1%～2%固体）就可以降低材料的总体线膨胀率，引入3%～4%固体时的效果更好，此时，与引入固含量6.1%时的线变化曲线相同，表示在降低材料的总体线变化率方面，其加入量已达到极限，固体最佳引入量为3%。
　　加入几种纳米粉的对比试验表明：（1）将氧化铝粉和镁砂粉预混球磨成AM纳米粉后，具有生成尖晶石的更有利条件和更高的烧结性能，已无法检测到尖晶石的膨胀峰存在；加入14%AM纳米粉试样的总体线膨胀率最小。（2）减小MgO的颗粒尺寸可以降低材料的总体线膨胀率和尖晶石的生成温度；减小Al2O3的颗粒尺寸也可以降低材料的总体线膨胀率，但会使尖晶石膨胀的开始温度推迟；综合比较二者的最终效果，减小MgO颗粒尺寸在降低材料的膨胀率方面所起到的作用更好。加入AM纳米粉（7%或14%）时，材料的线膨胀率最小，但是未达到最低的开始膨胀温度。
　　总之，氧化铝溶胶对Al2O3-MgO浇注料总体膨胀的降低作用是有限的，其最佳引入固含量为3%；镁铝尖晶石的形成主要取决于MgO的颗粒尺寸，MgO的尺寸越小，材料的线膨胀率越低且生成尖晶石的反应越快，并且加入纳米MgO不影响加水量，而加入纳米Al2O3使材料的需水量增加，会使材料的力学性能变差；添加AM纳米粉作为控制Al2O3-MgO浇注料总体膨胀的新方法是可行的。
（编译自《Journal of the American Ceramic Society》2010，№9）