以铝酸钙水泥(CAC)为结合剂的铝镁(A-M)及铝尖晶石(A-MA)不定形材料广泛应用于钢包工作衬和功能性制品，例如透气砖、喷枪、座砖等。鉴于优异的热机械性能和热化学性能，其在冶金过程中常用于含碳或含硅砖无法使用的钢包内衬。广泛使用的各种施工方法使得我们可以选择A-M和A-MA不定形耐火材料来获得无缝耐材衬里。经过一定炉次后，炉衬上未侵蚀的部分仍然能使用，仅需要修复钢包内衬被损毁的部位，因此，吨钢耐材消耗能降到最低。炉衬的修复可以通过浇注，用传统的干法喷补或更先进的混凝喷射完成。

铝尖晶石(A-MA)不定形耐火材料包含大颗粒的刚玉骨料、中等粒度和细分级别的预合成尖晶石，并以铝酸钙水泥作为结合剂，在浇注料中引进尖晶石能增强抗渣性。而CAC即便在较低的环境温度下，也能给喷涂料和浇注料提供足够早期强度。快速的水化反应能够产生足够的强度来抵抗钢包在烘烤、运输以及起吊过程中的机械应力。

铝镁(A-M)不定形耐火材料通过首次钢包加热提供的温度来形成原位合成尖晶石。这种原位合成尖晶石一次晶体的尺寸通常比预合成尖晶石晶体要小得多。与A-MA浇注料中预合成尖晶石的粗大晶粒相比，通常情况下原位合成尖晶石因为具有更小的晶粒尺寸具备了更好的抗渣性能。然而，原位合成尖晶石反应伴随着剧烈的体积膨胀，表征为永久线变化(PLC)为正值。为了防止过量的膨胀，通常会加入少量的硅微粉。硅微粉的加入会起到减缓镁砂水化反应速度的作用。因为MgO的水化会导致浇注料的加水量增加、减水剂用量增加以及更高的初始强度。在干燥过程中，MgO会和水蒸气发生水化反应。硬化过程后期生成Mg(OH)2会使内部应力的升高，从而导致裂纹的形成。但是，硅微粉的加入会显著降低材料的耐火度。

新型钙镁铝酸盐水泥(CMA)由水合铝酸钙和大量细度与A-M浇注料中相似的MA尖晶石组成。大量实验证明，在A-M浇注料中使用CMA，可以同时减少镁砂和硅微粉的加入量，从而提高了热机械性能以及抗渗透和抗侵蚀性。使用CMA时，浇注料微观结构的变化能说明抗侵蚀性的差异。在A-MA浇注料中，实验也能够证明用CMA替换预合成尖晶石细粉和铝酸钙水泥(CAC)之后能够改善抗侵蚀性。

还有研究表明CMA能够取代浇注料中的CAC以及活性氧化铝，这样可以在对浇注料流变性和强度都不造成负面影响的前提下提高浇注料中尖晶石的含量。对这个配方的实验表明，基质中的尖晶石含量越高，其抗渗透和抗侵蚀能力越强。另外一些实验也表明，通过使用CMA，可以设计出CaO含量很低的浇注料配方。结合大量的尖晶石微粉，能够进一步优化浇注料的高温机械性能和高温化学性能。使用CMA的浇注料在煤气气化炉中对富含硅和碱的煤灰也表现出了很好的抗侵蚀性能。

在实验室中，热机械性能和热化学性能的测试是分别进行的，但是在钢包的使用中各种损毁效应会同时存在。这些同时存在的损毁机理很难在实验室的小型试验中同时涉及。因此，研究人员在二次精炼钢包和铸造钢包中使用CMA不定性耐火材料进行工业试验来验证实验室的结论。

钙镁铝酸盐水泥的工业应用

研究人员在本次工业试验中选择了两种化学成分及矿物组成非常相近的铝尖晶石浇注料。浇注料CCAC含有少量CAC(Secar71)和大量的预合成尖晶石细粉。相反，新型浇注料CCMA中含有大量的CMA(CMA72)和少量预合成尖晶石细粉。两种浇注料的尖晶石、铝酸钙含量相同，但是CMA72中尖晶石微粉的存在导致两种浇注料中尖晶石和铝酸钙的分布有所不同。两个8吨铸造钢包中，第一个使用浇注料CCAC作为参照，第二个使用CCMA。在两个钢包中包壁和渣线部位都使用浇注料来进行整体浇注，一个使用CCAC，另一个使用CCMA。最初100炉的出钢温度大约1700℃，之后150炉的出钢温度为1480℃。冷却到常温后，从钢包衬里的不同部位取下样品。

分析与讨论

研究人员将样品垂直切开展示渣-耐火材料界面。用扫描电子显微镜(SEM)观察样品的显微结构。通过EDAX ZAF定量法(无标样)校准显微结构中的复合尖晶石和玻璃相的化学成分，每个样品的渗透深度用SEM图像的像素计数来测量，X射线衍射进行矿物相分析，通过光学显微镜的微观测量方法得到其孔径分布。

钢包底部取出的CCMA样品显示没有渣和金属渗透。样品基本没有遭到侵蚀。表面可以看到不足1mm厚的黑色渣层，而且没有裂纹。

SEM分析显示，在没有被钢渣渗透的区域 (P4和P1、P2的冷面)， CCMA基质内尖晶石较浇注料CCAC分布得更均匀、细致。而且CCMA的基质中尖晶石、刚玉和铝酸钙相互之间的结合程度也更高。

CCMA的孔径分布明显更小，有大量亚微米直径的孔洞，这使得钢渣难以直接向CCMA基质中渗透。而CCAC则含有更多易使渣渗透的微孔。

分析浇注料CCAC的反应层和未渗透区的界面图以及浇注料CCMA的反应层和非渗透区的界面图可以发现，CCMA中的渣渗透区域的厚度远远小于CCAC。在两种浇注料中，低熔相填充在刚玉、CA6和MA-尖晶石的空隙中。

低熔相的化学组成反映了渗透进入基质的渣和基质中耐火材料的反应程度。在CCAC中，低熔相的主要构成是CaO-Al2O3-SiO2和MgO-Al2O3-SiO2-Fe2O3。在CCMA中也能找到CaO-MgO-Al2O3-SiO2-Fe2O3和Na2O-Al2O3-SiO2。在这两种浇注料中都可以明显观察到Fe2O3固溶进了尖晶石中。而Fe2O3从渣固溶到固相尖晶石中会使渣的黏度升高，这能减缓氧化物从渣向基质的进一步渗透和扩散。在浇注料CCAC中，反应层的平均渗透深度大约为1050μm，在深度为1470μm~1980μm处存在相互交联的裂纹。

在浇注料CCMA中，反应层的平均深度为100μm，在深度为90μm~320μm的一些地方存在裂纹，但是裂纹没有交联。CCMA在钢包中有较好的抗磨损性能。浇注料CCAC中较厚的渗透层导致了在浇注料深处的裂纹，从而使浇注料更容易剥落。浇注料CCMA的表面洁净，仅有少量的渣黏附在表面，这使得钢包衬体的修复更快速也更经济。

以某190吨钢包30炉后的CMA-结合浇注料为例，这块预制块被砌筑在渣线MgO-C砖以下的190吨钢包包壁中。经过30炉之后更换MgO-C砖时，没有看到明显的渣渗透 (<1mm)而且仅少量渣附着在表面。这个样品的显微结构分析正在进行中。

结论

炼钢及铸造钢包用CMA-结合不定形材料的工业应用证实了实验室中使用CMA的浇注料可以提高抗渣渗透和抗侵蚀性能的结论。此外，浇注料CCMA抗渣渗透性能的提高使得热机械性能也随之得到了提高，因为随着渗透层的变薄，浇注料内部裂纹的数量也变少了。CMA使得微晶化的尖晶石可以在浇注料，干法喷涂料以及湿法喷涂料基质中均匀的分布。这些微晶化的尖晶石不仅产生了相互交联的网络结构，同时，也减小了气孔的尺寸，从而使渣的渗透变得更加困难。微晶化尖晶石的网络结构使氧化铁更容易尖晶石中固溶，从而使渣-耐火材料界面处渣的黏度升高，阻止了渣对耐火材料的进一步渗透。更长的钢包内衬寿命和更为清洁的钢包衬里表面，可以有效降低钢包作业难度和耐材成本。