引入轻量化骨料是实现窑衬耐火材料轻量化的主要途径。轻量骨料是指在致密骨料的制备过程中，引入适当含量的气孔，合理提高骨料部分的气孔率，在不显著改变骨料整体性能的前提下，降低其导热系数。轻量骨料被致密的基质部分包裹后降低了耐火材料整体的体积密度，既保证了耐火材料整体导热系数降低的同时又不会牺牲其他各项性能，因此受到了科研工作者的广泛关注。目前针对轻量骨料的制备技术以及相关性能研究已有报道。


轻量骨料的制备方法与多孔陶瓷的较为类似，目前通过添加造孔剂法、凝胶注模法以及原位分解法等方法制备轻量骨料都已被文献报道。通过在致密骨料中引入少量气孔并对轻量骨料的气孔结构参数如孔径、闭气孔率等进行优化，可以实现轻量骨料的多想优异性能。目前轻量刚玉骨料以及轻量方镁石-尖晶石骨料得到了最为广泛的研究。武汉科技大学顾华志教授课题组以有机物为造孔剂，采用凝胶注模法制备了总气孔率为21.4%、闭气孔率为12.3%、平均孔径在0.3~0.5  μm的轻量微孔刚玉骨料。将轻量微孔刚玉骨料引入到刚玉-尖晶石浇注料中与含板状刚玉的刚玉-尖晶石浇注料进行对比，发现轻量骨料降低了浇注料的导热系数。从板状刚玉和微孔刚玉显微结构的对比可以看出(图1)，板状刚玉中气孔分布不均匀，气孔尺寸大小不一，气孔形状为狭长型。轻量微孔刚玉骨料内部气孔分布均匀，气孔形状多为圆形孔。江苏晶鑫高温材料有限公司李正坤等成功开发了轻烧微孔氧化铝骨料，体积密度为3.3~3.4 g/cm3，其导热系数低于板状刚玉并且展现出更优异的热震稳定性。将轻烧氧化铝引入到铝镁浇注料中替代常规烧结氧化铝骨料，浇注料的导热系数下降了10%。轻量刚玉的应用不仅降低了窑衬耐火材料整体的导热系数，还避免了气孔尖端的应力集中，增强了其热震稳定性。轻量微孔刚玉骨料的引入成功的实现了钢包用刚玉-尖晶石浇注料的轻量化。除了轻量刚玉骨料之外，河南科技大学周宁生等将具有多孔结构的轻烧铝矾土骨料引入到Al2O3-SiO2浇注料中，探索了高铝质浇注料轻量化的可行性。结果表明，采用部分轻烧矾土骨料替代致密骨料并未影响浇注料的整体性能。




(a) 板状刚玉;(b)轻量微孔刚玉


尽管轻量骨料的应用降低了重质耐火材料整体的导热系数，但由于气孔率较致密骨料有所提高，因此如何在气孔率提高的前提下保证骨料的抗侵蚀性能成为最近科研工作的重点。付绿平等首先对比研究了板状刚玉与轻量微孔刚玉在高钙渣中的侵蚀机理。结果表明，板状刚玉遭受侵蚀后发现骨料内部有明显渗透，并且在渣和骨料界面处发现有CA2和CA6形成;轻量微孔刚玉骨料经过侵蚀后，在骨料与渣之间形成一层致密“隔离层”。骨料的气孔率以及孔径会对其抗渣侵蚀行为产生影响。轻量微孔刚玉中的气孔直径较小，减缓了熔渣相骨料内部的渗透。为了更为深入的理解轻量微孔刚玉骨料在不同熔渣中的侵蚀行为，该学者随后又建立了不同气孔结构的刚玉骨料在熔渣中的溶解模型。根据模型计算以及实验结果发现，刚玉组分相渣中溶解速率过快或者过慢都会导致刚玉在渣中的持续溶解。当溶解-沉淀过程达到平衡状态时在渣-刚玉骨料界面处会形成一层隔离层，结果如图2所示。气孔直径对刚玉骨料在渣中的溶解影响最大，气孔直径过大时则会加速溶解，而气孔率对刚玉骨料的溶解影响有限。




(a)溶解过程传质模型;(b)不同气孔直径的轻量刚玉在渣中的溶解深度与侵蚀时间的关系


除了炼钢、炼铁系统用到的轻量微孔刚玉以及微孔矾土之外，近些年轻量化的概念也在水泥回转窑耐火材料中得到了应用。为了降低烧成带方镁石-尖晶石耐火材料的导热系数，武汉科技大学李楠教授课题组以菱镁矿和氢氧化铝为原料，通过原位分解法制备了轻量MgO-Al2O3质骨料。菱镁矿和氢氧化铝分解后在其假相内部产生纳米孔，菱镁矿假相在烧成过程中发生晶粒重排、长大，致使纳米孔消失，最终获得微米级开口气孔。该类轻量骨料气孔率为42.1%~44.2%，常温耐压强度为51.1~52.0 MPa，平均孔径为10.8~12.1 μm。为了验证轻量方镁石-尖晶石骨料的抗侵蚀性能，鄢文等以水泥熟料为侵蚀介质，考察了轻量方镁石-尖晶石耐火材料在高温下的侵蚀机理。结果表明，材料中尖晶石组分在水泥中的溶解速率大于方镁石，在高温下侵蚀界面的液相粘度增大有利于提高材料抵抗水泥侵蚀的能力。


轻量骨料的应用对于工业窑炉的隔热保温性能以及工业的节能减排具有重要作用。与致密骨料相比，轻量耐火骨料显微结构上的变化也使其服役性能发生了一系列的变化。尽管气孔率的升高降低了骨料本身的导热系数，但也同时降低了材料抵抗熔渣渗透与侵蚀的能力。因此目前的轻量骨料都是朝着微孔化的方向进行发展，以期降低渣在轻量骨料中的渗透。随着低碳节能理念的推广以及国家环保意识的增强，今后轻量骨料也必然会继续优化自身显微结构，向着超高微孔化、超高闭气孔率的方向进行发展，以适应日益严苛的窑炉服役环境。