高鋁礬土是重要的耐火原料，在耐火材料中起著重要的作用，是具有戰(zhàn)略意義的資源。我國高鋁礬土資源豐富，已探明儲量達25億噸。改革開放以來，我國高鋁礬土資源得到了迅猛發(fā)展，基本上能夠滿足國內(nèi)外市場的需求，已經(jīng)成為國際礬土熟料的主要來源。但直至目前，我國絕大部分相關(guān)企業(yè)還以煅燒天然塊料為主，品種單一，質(zhì)量波動大，資源利用率低。近幾年我國耐火高鋁礬土生產(chǎn)制備技術(shù)也有了實質(zhì)性突破，突出體現(xiàn)就是礬土基均化料規(guī)模化工業(yè)化制備技術(shù)的不斷成熟，產(chǎn)品成功進入耐火原料市場，且市場占有率與日俱增。
       由于對天然礬土熟料及礬土基均化料的性能研究，尤其是對比研究相關(guān)報道比較少，對于礬土基均化料的看法還存在爭議。結(jié)合近幾年在礬土級原料方面的研究與實踐工作，本文以80級耐火高鋁礬土熟料（以下簡稱“一級料”）和80礬土基均質(zhì)料（以下簡稱“80均質(zhì)料”）為例，通過對比分析，研究天然和合成礬土耐火原料間的差異，為從業(yè)者提供借鑒。
       對比試驗
       試樣選擇。天然及合成高鋁礬土原料均源自山西陽泉地區(qū)，某A廠的一級料和某T公司的80均質(zhì)料：一級料直接由陽泉地區(qū)一級料塊料倒焰窯燒制而成，80均質(zhì)料以陽泉地區(qū)礬土生料為主要原材料，采用了三級均化、濕法共磨、高溫?zé)频闹苽涔に嚒?br />        性能檢測。研究人員使用數(shù)碼相機記錄試樣宏觀狀態(tài)，使用化學(xué)分析方法檢測試樣的化學(xué)指標，使用國家標準檢測材料物理性能。其中，抽真空裝置及荷重軟化溫度測定設(shè)備為洛陽普瑞慷達公司生產(chǎn)，稱量設(shè)備為SETRA（賽特拉）公司分析天平；使用荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的X射線分析儀對材料的礦物組成進行分析，使用TESCAN（泰思肯）公司生產(chǎn)的掃描電子顯微鏡分析材料的微觀結(jié)構(gòu)。
       結(jié)果與討論
       宏觀狀態(tài)。一級料料堆的顏色差異較大，形狀上也差距較大，且一級料中夾雜著高鐵料、鐵皮料、高鈣料、夾生料及其他級別的礬土料。據(jù)分析，造成這些差異的主要原因是，生料塊料由于成因的緣故，所發(fā)育而成的料塊與料塊間存在著成分差異、物相差異。而對于礬土生料塊料品位，目前沒有準確的快速識別辦法，只能依靠民間有長期經(jīng)驗積累的師傅肉眼識別。
       而從80均質(zhì)料的表觀狀態(tài)來看，合成耐火礬土熟料比較均勻，極少存在異化料。分析原因，由于人工的干預(yù)，在燒制前期經(jīng)過對高鐵高鈣料的揀選，尤其是均化措施的采用，大大改善了天然料成分不均的現(xiàn)象，又通過濕法共磨，使得在納微米級別上合成料的成分都達到了均一狀態(tài)。
       綜上，盡管同樣都采用陽泉地區(qū)一級料為主要原料，但一級料均勻性很差，80均質(zhì)料表現(xiàn)出了一致的表觀狀態(tài)。
       化學(xué)分析。取樣時，每種各取5千克~10千克破碎后采用四分法取樣。從分析數(shù)據(jù)可見，一級料中混級現(xiàn)象比較嚴重，不僅存在特級料，還有二級料、甲二級料。這說明，就化學(xué)檢測來看，在選料層面上就不可避免地存在高鐵料、高鈣料或同塊料雜質(zhì)含量不可控的情況。這也從另一個側(cè)面反映出，如果規(guī)模化大量生產(chǎn)，揀選過程中分級分選效果不會很好。
       由在80均質(zhì)料堆場隨機挑選4塊熟料的化學(xué)全分析結(jié)果可見，化學(xué)成分波動非常小，氧化鋁含量極差小于兩個百分點，其他雜質(zhì)成分也基本上處于一個穩(wěn)定的水平。這主要是因為合成均質(zhì)料在生產(chǎn)過程中，實現(xiàn)了對大宗原料的均化過程，同時也歸因于所選T公司生產(chǎn)均質(zhì)料工藝中在線分析系統(tǒng)的應(yīng)用，已經(jīng)完全實現(xiàn)了按組分配料，確保了主要化學(xué)成分的可控性。
       綜上，化學(xué)分析的結(jié)果表明，由于高鋁礬土熟料在生產(chǎn)過程中完全使用天然礬土的塊料進行燒結(jié)，在生產(chǎn)過程中人工干預(yù)少，其材料成分完全取決于礦石本身的特性，因此其化學(xué)成分波動較大；而合成均質(zhì)料就有效解決這方面的問題，使得材料的化學(xué)成分均一穩(wěn)定。
       物理指標。由一級料典型試樣的物料指標可見，試樣整體表現(xiàn)出吸水率較高，大部分處于6.0%~8.0%，波動較大。體積密度較小、吸水率偏大的為二級料或假二級料。而對于具有代表性的一級料，指標相對比較穩(wěn)定，上下波動在一定的范圍內(nèi)，在使用中對雜質(zhì)成分要求不高的情況下，如果能夠做到認真分選，可實現(xiàn)天然礬土熟料物理指標的穩(wěn)定，能滿足產(chǎn)品對原料穩(wěn)定性的要求。
       由80均質(zhì)料的物理指標可見，不同試樣間的指標波動非常小，且結(jié)合化學(xué)指標可以判斷體積密度、吸水率都處于一個優(yōu)良水平。這從側(cè)面反映了合成均質(zhì)料在燒結(jié)過程中通過合理制度的選擇及工藝控制，可以使礬土基熟料的燒結(jié)反應(yīng)進行得比較徹底，通過人工干預(yù)可以在實現(xiàn)穩(wěn)定性的同時實現(xiàn)目標結(jié)構(gòu)及性能的要求。
       通過兩種礬土原料的荷重軟化溫度比較可知，一級料的荷重軟化溫度明顯低于80均質(zhì)料。而合成料整體性能穩(wěn)定，燒結(jié)反應(yīng)進行得比較完全，荷重軟化溫度達到了該組成材料應(yīng)有的使用溫度，可在此高溫環(huán)境下安全使用。
       綜上，從物理性能方面看，一級料由于生料成因及簡陋制備的原因，首先表現(xiàn)出了指標的上下波動較大；其次由于燒結(jié)不完全，荷重軟化溫度較低，不能物盡其用，高溫下存在安全隱患，使用受限。而80均化料指標方面表現(xiàn)比較穩(wěn)定，通過人工干預(yù)，荷重軟化溫度也達到了應(yīng)有的水平；制備過程中燒結(jié)反應(yīng)進行得比較完全，性能可控，可在適當(dāng)高溫下安全穩(wěn)定使用。
       物相表征。研究人員選取一級料中3個典型試樣進行了X射線衍射分析。由衍射圖可見，由于化學(xué)組成的差異，一級料的物相表現(xiàn)出多樣性。盡管都出現(xiàn)了剛玉、莫來石、鋁酸鈣的衍射峰，但對于多數(shù)試樣，其物相組成基本都是剛玉相。而少部分試樣，由于鋁含量的降低，其物相明顯以剛玉和莫來石兩種礦物物相為主。同時，有些試樣上存在氧化鈣聚集的情況，使礬土熟料的表面形成鈣皮，其物相除了剛玉和莫來石外，還有大量鋁酸鈣的存在。
       此外，研究人員還隨機選擇3個80均質(zhì)料的X射線衍射圖譜。由圖可知，80均質(zhì)料不同試樣都僅存在剛玉和莫來石兩種物相，峰形相同，物相基本保持一致。這說明合成的高鋁礬土原料在物相組成上存在一致性，通過工藝控制避免了有害相的出現(xiàn)。
       綜上，X射線衍射的結(jié)果整體反應(yīng)出，天然料的物相組成多種多樣，每個試樣的物相均存在差異。而合成的均質(zhì)料，不僅是物相的種類，而且物相的含量都表現(xiàn)出穩(wěn)定和一致性。
       顯微結(jié)構(gòu)。由天然礬石一級料（氧化鋁質(zhì)量分數(shù)為80%）的SEM（掃描電子顯微鏡）照片可見，一級料的內(nèi)部比較疏松，氣孔率高且相互連通。但從高倍下觀察，僅看到顆粒大小不均勻的粒狀剛玉相，莫來石相的發(fā)育不明顯。
       由80均質(zhì)料的SEM照片可見，80均質(zhì)料較為致密，顯氣孔相對較少。從高倍下觀察，80均質(zhì)料為剛玉相和莫來石相互相交叉、緊密排布的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中莫來石相的相互交錯形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在高溫下可有效阻礙剛玉顆粒之間的滑移，增強了材料的高溫強度。
       綜上，從微觀上看單一的一級料和80均質(zhì)料均表現(xiàn)出了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但由于制備工藝的差距，一級料顯氣孔率較高，莫來石晶體發(fā)育不完全，降低了天然料的適用溫度和高溫強度。80均質(zhì)料燒結(jié)反應(yīng)進行得比較完全，結(jié)構(gòu)較為致密，剛玉莫來石發(fā)育較好，所形成的莫來石交叉的骨架結(jié)構(gòu)高溫下阻礙了剛玉相的滑移，提高了材料的使用溫度和高溫強度。
       應(yīng)用與結(jié)論
       現(xiàn)場應(yīng)用。研究人員以80均質(zhì)料替代此前所用一級料作為骨料，用于120噸非精煉鋼包中，在江蘇某鋼廠現(xiàn)場試用。經(jīng)過半年時間的比較，使用80均質(zhì)料作為骨料的鋼包包齡延長50%以上，最高可達180次以上，鋼包包壁侵蝕速率降至1.0mm/爐以下。從拆包后的變質(zhì)層來看，使用天然一級料的樣塊變質(zhì)層明顯較厚，并且顆粒顏色都發(fā)生了變化，這也和荷重軟化溫度的檢測結(jié)果相吻合。而使用80均質(zhì)料的樣塊無明顯變質(zhì)層，顆粒保持原貌，說明80均質(zhì)料可以在此環(huán)境下長期、安全、穩(wěn)定使用。
       結(jié)論。一級料在宏觀狀態(tài)、物理和化學(xué)指標方面均表現(xiàn)出不均勻性，混級現(xiàn)象嚴重，不利于制品的穩(wěn)定性控制；80均質(zhì)料克服了一級料的缺點，均一性、穩(wěn)定性較好。
       由于制備工藝的差異性，天然料雜質(zhì)富集，燒結(jié)溫度不夠，有鋁酸鈣雜相出現(xiàn)，莫來石發(fā)育不完全。而80均質(zhì)料經(jīng)過多級均化、成分配料、高溫煅燒礦相組成和顯微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出很好的一致性，所形成的莫來石交叉骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，有利于材料在高溫下的使用及高溫強度的提高。
       現(xiàn)場應(yīng)用證明，80均質(zhì)料較一級料在鋼包澆注料上表現(xiàn)出了安全穩(wěn)定的使用性能，能明顯延長包齡，降低侵蝕速率，提高產(chǎn)品綜合性價比。
       研究人員建議，選用原料時，應(yīng)保證原料耐溫性的前提下，著重考慮原料成分的均勻性、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、性能的匹配性和使用的安全性。