窑口耐火浇注料的使用寿命对整条水泥生产线的运转周期有着至关重要的影响。回转窑窑口浇注料在使用过程中，除了要承受1400℃以上的高温以外，还需要承受急冷急热气流冲击，高温水泥熟料磨损和高温有害气体碱腐蚀等机械应力、热应力和化学侵蚀的破坏，使用条件十分苛刻，要求窑口浇注料必须具有良好的抗热震性、耐磨性和耐碱性。目前窑口浇注料在材质上广泛采用刚玉-莫来石质、刚玉-尖晶石质以及钢纤维增强的耐火浇注料，为了提高窑口浇注料的抗侵蚀性和抗热震性，往往还加入部分碳化硅。窑口浇注料能够形成整体内衬，但由于其是一种脆性材料，难以像采用砖砌的转窑筒体一样能够适应一定程度的形变，在应力作用下容易开裂，因此提高窑口浇注料的韧性对于改进其使用寿命十分有利。黑刚玉是一种以α-Al2O3和铁铝尖晶石为主矿相的灰黑色结晶体，其特点是Al2O3含量较低，并有一定量以不同价态形式存在的铁，因而具有硬底适中、韧性高、耐高温、热态力学性能稳定的特点，多数用于磨料当中。针对黑刚玉的性能特点和窑口浇注料的性能要求，本文以刚玉-莫来石质窑口浇注料为基础，采用黑刚玉作为部分原料，研究了不同粒度的黑刚玉及其加入量对窑口浇注料性能的影响。

1.1 原料及试验方案

试验中所用主要原料有：烧结莫来石(2.73g·cm-3，粒度包括8～5、5～3、3～1mm)、棕刚玉(3.92g·cm-3，粒度包括3～1、≤1、0.074mm)、黑刚玉(3.71g·cm-3，粒度包括3～1、≤1、0.074mm)、碳化硅(粒度包括≤1、0.074mm)、α-Al2O3微粉、二氧化硅微粉和铝酸钙水泥，外加剂包括减水剂和防爆纤维。主要原料的化学组成如表1所示，配料组成见表2所示。

表1 主要原料的化学组成

表2 试验配料组成

1.2 试样制备及性能检测

将各种原料按比例混合均匀，加水5.6%(w)搅拌后经震动成型，室温下养护24h后脱模，试样分别经不同温度处理后，检测试样的体积密度(YB/T5200—1993)、耐压强度(GB/T5072—2008)、抗折强度(GB/T3001—2007)、线变化率(GB/T5988—2007)。

2.1 黑刚玉不同加入量对窑口浇注料性能的影响

以不加入黑刚玉的试样为基础，分别以等量的≤1mm黑刚玉替代≤1mm的棕刚玉，试样的性能指标如图1-4所示。

从图1可以看出，随着≤1mm黑刚玉加入量的增加，试样的体积密度呈现下降趋势，这是由于黑刚玉的体积密度比棕刚玉低所产生的。考虑到颗粒级配因素，试验中当≤1mm黑刚玉含量增加到25%(w)时，试样中未加入≤1mm的碳化硅，相当于≤1mm黑刚玉全部替代了≤1mm的棕刚玉和≤1mm的碳化硅，具体配比见表2所示，而黑刚玉的体积密度大于碳化硅体积密度，因此试样体积密度有所提高。

从图2可以看出，加入≤1mm黑刚玉5%(w)的试样经不同温度处理后比未加黑刚玉的试样的常温抗折强度有所提高，而≤1mm黑刚玉加入量(w)在5%～20%的范围内，随着黑刚玉加入量的增加，110℃下保温24h后试样的抗折强度变化趋势不明显，这是由于在110℃保温24h条件下试样的强度主要由水泥结合剂提供。经过1100℃保温3h和1350℃保温3h处理后试样的常温抗折强度呈现先增加后减小的趋势，抗折强度主要受基质与骨料之间的结合程度影响，断裂过程多数是骨料颗粒自身的破坏，而不是颗粒从基质中的拔出效应，抗折强度的变化反应了基质与骨料之间结合的强弱。

从图3可以看出，加入≤1mm黑刚玉5%(w)的试样比未加黑刚玉试样的常温耐压强度降低，而随着黑刚玉加入量增加，常温耐压强度出现先增加后减小的趋势。经110℃保温24h处理后的试样耐压强度受结合剂作用和紧密堆积程度的影响，在相同质量配比的条件下，黑刚玉的加入引起紧密堆积程度变化，从而引起耐压强度变化[6]。在试验条件下，当≤1mm黑刚玉加入量(w)在10%左右时，经过1100℃保温3h和1350℃保温3h处理后的试样常温耐压强度最大，这与试样中的反应程度和颗粒紧密堆积情况有关[7]。浇注料作为一种非均质材料，抗折强度比耐压强度更容易受到裂纹和不均匀性等微观结构的影响。

从图4加热永久线变化可以看出，加入≤1mm黑刚玉5%的试样比未加黑刚玉试样的线收缩明显增加，说明试样中出现了明显的烧结反应。经1100℃保温3h热处理后的试样线变化都呈现收缩特征，随着黑刚玉加入量(w)在5%～20%的范围内增加，收缩率逐渐减小。经1350℃保温3h处理后的试样在≤1mm黑刚玉加入量(w)为5%～20%的范围内，呈现先收缩后膨胀的特征，这与试样中的物相反应情况有关[8]，说明黑刚玉在试样中先生成低熔点液相产生体积收缩，随着黑刚玉含量的增加，再生成新的物相产生膨胀，具体物相需要进一步分析确认。≤1mm黑刚玉加入量(w)为25%的试样线变化出现波动，主要是由于黑刚玉替代了碳化硅，碳化硅对试样的线变化也会产生影响，碳化硅在高温条件下部分发生氧化生成二氧化硅，进而反应产生莫来石，产生一定程度的体积膨胀效应，同时也说明了碳化硅对试样的体积效应要大于黑刚玉。体积膨胀效应也导致经1350℃保温3h处理后试样的常温耐压强度随着黑刚玉加入量的增加而降低。常温抗折强度和常温耐压强度容易受微观缺陷影响，相较而言，加热永久线变化作为一项宏观评价指标更能客观反应出试样烧结后的状态，综合考虑窑口浇注料的使用条件以及抗热震、强度等性能要求，≤1mm黑刚玉的加入量(w)在15%左右为宜。

2.2 黑刚玉不同粒度对窑口浇注料性能的影响

试验中以≤0.074、≤1、1～3mm这3种粒径规格的黑刚玉，加入量(w)为15%替代同等规格的棕刚玉，配比如表2所示，试样性能检测结果如表3所示。可以看出，3种不同规格的黑刚玉在相同加入量的条件下对体积密度影响不大。结合常温抗折强度、常温耐压强度和加热永久线变化的检测结果可知，加入≤0.074mm黑刚玉的试样在1100℃保温3h和1350℃保温3h条件下的反应程度相对剧烈，这是由于粉料的反应活性比颗粒高，但反应不利于强度的提高，过度反应使试样中产生了陶瓷化，脆性程度增加，引起强度降低[9]。而当加入1～3mm的黑刚玉时，1100℃保温3h处理后的试样的线收缩率大大降低，1350℃保温3h处理后试样的线变化则为收缩，说明试样中的反应程度比较微弱。因此根据不同粒度的黑刚玉在窑口浇注料中的反应程度和强度变化特征，黑刚玉的加入以≤1mm为宜。

(1)加入≤1mm的黑刚玉能够提高试样的常温抗折强度和常温耐压强度，但随着加入量的增加，经过1100℃保温3h和1350℃保温3h处理后的试样强度呈现下降趋势。黑刚玉在试样中先生成低熔点液相产生体积收缩，随着黑刚玉含量的增加，再生成新的物相产生膨胀。

(2)在相同加入量的条件下，≤0.074mm的黑刚玉比≤1和1～3mm的反应活性大，造成1100℃保温3h后试样的线收缩和1350℃保温3h后试样的线膨胀增加，但反应程度增加造成强度的降低。