采用铝热法生产金属铬时会有副产品铝铬渣产生，铝铬渣中铝、铬的氧化物含量较高，科研人员对该渣的研究颇多，目前铝铬渣主要可用作陶瓷或玻璃着色剂、保温材料铬渣棉、水泥矿化剂、合成铝镁铬尖晶石以及耐火原料等。但是，由于铝铬渣中一般含有毒性较大的六价铬，对环境危害较大，需要经过无害化处理之后才能再利用，且利用效率不高，产品附加值不大。采用碳热还原法对铝铬渣进行高温热处理，得到两种产物，因二者的密度不同，在冷却过程中分层而分离，处于上层的大部分还原产物中Al2O3含量高达90%(w)以上，称之为还原铝铬渣;处于下层的小部分反应产物，称为碳化铬，该物质价格昂贵，也可对其回收再利用。
(破碎后的铝铬渣实物照片)
目前优质白刚玉的原料供应紧张，生产成本高，价格逐步攀升，急需开发出一种性能相当，成本低廉且来源不受限制的替代品，以缓解耐火原料资源枯竭的现状。在本工作中，研究以还原铝铬渣作为耐火原料替代电熔白刚玉的可行性，首先对还原铝铬渣的各项性能进行研究，之后将还原铝铬渣和电熔白刚玉用于Al2O3-SiC-C浇注料中进行性能对比试验。
1、还原铝铬渣的性能研究
1.1还原铝铬渣的性能测试
试验所用为锦州某厂生产的还原铝铬渣。以YB/T—标准中致密电熔刚玉的理化指标作对比，利用ICP-AES电感耦合等离子体发射光谱仪按GB/T—测化学组成，按GB/T—测显气孔率和体积密度，按GB/T—测吸水率，按GB/T—测真密度，按GB/T—测℃热导率，按GB/T—测室温到℃的热膨胀系数，按GB/T—测耐火度。利用SEM结合EDS对铝铬渣进行显微结构分析。
抗渣侵蚀性：将还原铝铬渣颗粒与某钢厂高炉渣细粉按照质量比11称取共30g混合，放入φ36mm×50mm内孔为φ30mm×40mm的刚玉坩埚中，于℃保温3h进行静态抗渣试验。将渣蚀后断面在扫描电子显微镜下观察并进行能谱分析。所用高炉渣的化学组成(w)为：CaO：35.40%，SiO2：35.30%，Al2O3：16.28%，MgO：8.12%，R2O：1.65%，TiO2：0.93%，Fe2O3：0.92%。
1.2还原铝铬渣的理化指标
还原铝铬渣的理化指标见表1。可以看出，还原铝铬渣的主成分Al2O3含量在98%(w)以上，且化学组成满足行业标准对电熔刚玉的要求，仅显气孔率较大，体积密度略低。
表1还原铝铬渣和致密电熔刚玉的理化指标
1.3还原铝铬渣的物相分析
图1为还原铝铬渣的XRD图谱。可以看出，还原铝铬渣中的主晶相为刚玉相，次晶相为尖晶石相，还有微量SiO2和铝酸钙杂质。
图1还原铝铬渣的XRD图谱
1.4还原铝铬渣的显微结构
还原铝铬渣的显微结构照片见图2，并对图中各点进行EDS分析，见表2。可知，还原铝铬渣的主要成分为深灰色部分(点1和点4)，由能谱分析得知为图2不同部位还原铝铬渣的SEM照片氧化铝;其次为浅灰色部分(点2和点5)，为铝酸钙类化合物，掺杂一些镁的氧化物;还有黑色的尖晶石(点7);在图中颜色较亮部分为铬的化合物(点3和点6)，能谱分析其为碳化铬，其含量较少，聚集在一起，不会均匀分散分布。
图2不同部位还原铝铬渣的SEM照片
结合XRD、扫描电镜和能谱分析结果得出，还原铝铬渣的主要物相为刚玉，少量的尖晶石、铝酸钙类杂质和碳化铬。
表2图2中各点的EDS分析
1.5还原铝铬渣的热导率和耐火度
还原铝铬渣和电熔刚玉的热导率和耐火度比较见表3。可以看出，还原铝铬渣的热导率比刚玉的低。主要原因为：固体材料导热时，热量是通过晶格振动的声子来传输，因此热导率受声子的平均速度及其自由程的影响很大，影响因素主要包括材料的化学组成、晶体结构、温度、体积密度、显微结构等。化学组成和晶体结构越复杂，体积密度越低，晶粒越小，晶界越多，材料的热导率就越低。结合还原铝铬渣的理化指标，基本满足上述规律。根据还原铝铬渣的主要成分来看，均为高熔点物质(熔点：Al2O3的约℃，CA6的约℃，CA2的约℃，TiO2的℃，尖晶石的℃)，认为还原铝铬渣的耐火度完全满足耐火原料的使用要求。
表3还原铝铬渣和电熔刚玉的热导率和耐火度比较
1.6还原铝铬渣的热膨胀性
由于耐火材料在使用过程中随着温度变化会出现膨胀或收缩，导致耐火制品的体积发生变化，影响材料的使用寿命，因此对制品体积稳定性也有一定要求。对还原铝铬渣的热膨胀性进行测定，结果如图3所示。从图3可以看出：还原铝铬渣在室温至℃下膨胀率呈线性增长，热膨胀系数的变化可分为三个阶段：低温段(室温至℃)快速增长，中温段(～℃)平缓上升，高温段(～℃)呈线性增长。
图3还原铝铬渣的热膨胀性
1.7还原铝铬渣的抗渣侵蚀性
静态抗渣试验后坩埚的SEM照片及EDS分析结果如图4和表4所示。可以看出：还原铝铬渣颗粒与高炉渣反应，渣层中主要为长石类(点1、点2)和少量的尖晶石(点3);在还原铝铬渣颗粒外部包裹着一层致密的钙长石(点5)，厚约30～60μm，再向外有一层疏松的尖晶石层。还原铝铬渣在双层保护下不与高炉渣直接接触反应，因而抗渣侵蚀性较强。
图4℃保温3h渣蚀后坩埚剖面的显微结构照片
表4图4中各点的EDS能谱分析
2、还原铝铬渣在Al2O3-SiC-C浇注料中的应用研究
2.1制样及性能检测
制备Al2O3-SiC-C浇注料的原料有高铝矾土、电熔白刚玉、还原铝铬渣、SiC、α-Al2O3微粉、SiO2微粉、CA-80水泥、沥青等。部分原料的化学组成见表5。
表5原料的化学组成
将还原铝铬渣和电熔白刚玉应用于Al2O3-SiC-C浇注料中，配比见表6。按表6称料后先干混3min，外加5%(w)的水再混合5min，浇注成型为40mm×40mm×mm试样，自然养护24h后脱模，经℃保温24h烘干，将烘干试样埋炭(鳞片石墨)经℃保温3h烧成。然后按GB/T—检测试样的显气孔率和体积密度，按GB/T—检测试样的常温抗折强度，按GB/T—检测试样的常温耐压强度。采用X射线衍射仪对试样进行物相分析。
表6试样配比
2.2物理性能
还原铝铬渣和电熔白刚玉对Al2O3-SiC-C浇注料性能的影响见表7。可以看出：烘后试样H、试样B的体积密度差别不大，试样H的显气孔率较小;经℃处理后试样H的体积密度高于试样B的，显气孔率差别不大。一方面由于试样在高温下烧结而产生收缩，使得体积密度增大;另一方面由于还原铝铬渣等量替代电熔白刚玉，两种原料的化学成分相近，在高温条件下对试样的物相变化影响不大;此外试样中含碳材料高温下产生气体排出后会留下一定空隙;综合以上三个因素使得高温处理后试样体积密度降低、显气孔率增大，但试样B的体积密度低于试样H的。
表7不同温度热处理后试样的常温物理性能
经、℃处理后两试样的常温抗折强度、耐压强度差别不大，但试样H的略高。试样的常温强度主要由水泥硬化作用、骨料强度决定，因此可能是因为还原铝铬渣的强度比电熔白刚玉的强度高;经高温处理后，由于还原铝铬渣的热膨胀系数、热导率等均小于电熔白刚玉的，从而试样H的结构较致密，强度略高，试样B的常温抗折强度略低于试样H的。
℃保温3h热处理后试样的XRD图谱见图5。从图5可以看出：加入还原铝铬渣、电熔白刚玉后，试样H、B中主要的物相为刚玉、碳化硅和石墨，且各物相衍射峰强度几乎没有变化，基本可以确定还原铝铬渣代替电熔白刚玉后对该浇注料的物相没有影响。
综上可知，还原铝铬渣、电熔白刚玉在浇注料中使用后，试样的各项性能均没有太大差异，还原铝铬渣完全可以替代电熔白刚玉作为耐火原料使用。
图5经℃热处理后试样的XRD图谱
3、结论
(1)还原铝铬渣主成分为Al2O3，热导率、热膨胀系数低，耐火度高，抗渣侵蚀性好，除了显气孔率高以外，其他各项性能均与电熔白刚玉的相当。
(2)还原铝铬渣作为耐火原料替代白刚玉应用于浇注料后，试样各项性能和物相组成均无太大变化，满足作为耐火原料的使用要求。
(3)可对还原铝铬渣的显气孔率进行改进，作为白刚玉替代品扩大应用范围。