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在鋼(gang)包(bao)工作層(ceng)用耐火材料的研(yan)究中(zhong)，為了規避碳復合系(xi)耐火材料向鋼(gang)水中(zhong)引入[C]的(de)問題，同(tong)時確保(bao)鋼(gang)包工(gong)作襯的(de)抗侵蝕性能，研究者開發了以高純合成原料為基(ji)礎的(de)高純鋁鎂系(xi)耐火材(cai)料。該類材(cai)料自20世紀90年代末(mo)推廣以來，因其使用壽命長、不含(han)碳、氧(yang)化(hua)(hua)硅和氧(yang)化(hua)(hua)鐵雜質含(han)量低等優點(dian)而被鋼廠廣泛接受。高純鋁鎂系耐火材(cai)料主(zhu)要包(bao)括剛玉(yu)-尖晶石澆(jiao)注料、剛玉-氧化鎂(mei)澆注料及不燒磚等，其中剛玉-尖晶(jing)石(shi)澆注料是目前使用最(zui)多和研究較(jiao)深入的，這里也重點(dian)介紹此類材料的特點(dian)、發展及(ji)面(mian)臨的問題。
1、剛玉(yu)-尖(jian)晶石澆注料的特點
剛玉--尖(jian)晶石(shi)(shi)澆注料是以鋁酸鈣水泥作為(wei)結合劑，以尖(jian)晶石(shi)(shi)細(xi)粉(fen)、鎂(mei)砂細(xi)粉(fen)、二氧化硅微粉(fen)等氧化物并輔以不(bu)同添加劑作為(wei)基質部(bu)分，以尖(jian)晶石(shi)(shi)(熔點2135℃)和剛玉(熔點2050℃)作為骨料(liao)。該澆(jiao)注料(liao)具(ju)有很強的(de)(de)耐磨損和抗(kang)沖(chong)刷的(de)(de)能力和很好(hao)的(de)(de)化學穩(wen)定性(xing)，因(yin)而可避免鋼水(shui)增碳(tan)或對鋼水(shui)的(de)(de)總(zong)氧含量產生不利影響，同時在抗(kang)渣性(xing)和抗(kang)熱震性(xing)方(fang)面均表現相對優異。
2、剛玉-尖晶(jing)石澆注(zhu)料(liao)的研究方向
盡管剛玉--尖晶石澆注料作為鋼(gang)包工作襯(chen)用耐火材料已取(qu)得了廣泛的(de)(de)應用，但是其材料本身還存(cun)(cun)在以(yi)下幾個問題(ti)：首先，原位(wei)尖晶石生(sheng)成時伴隨(sui)的(de)(de)體積(ji)膨脹，雖然能夠使材料結構致(zhi)密并提高其抗渣(zha)滲透性(xing)能，但是也存(cun)(cun)在因膨脹量過大導致(zhi)材料龜裂和剝落的(de)(de)弊端；其次，高的(de)(de)致(zhi)密化往(wang)往(wang)會導致(zhi)材料抗熱(re)震性(xing)的(de)(de)下降(jiang)，材料容(rong)易(yi)剝落；再次，熔(rong)渣(zha)與耐火材料的(de)(de)反應不(bu)可避免，該過程容(rong)易(yi)向(xiang)鋼(gang)水中引入夾(jia)(jia)(jia)雜(za)，尤(you)其是大尺寸夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物，這(zhe)些(xie)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)物對高品質鋼(gang)的(de)(de)穩定性(xing)的(de)(de)損(sun)害是很嚴(yan)重的(de)(de)。因此，關于(yu)剛玉-尖晶石(shi)澆注料(liao)的進展也是圍(wei)繞上面3個方面展開。
2.1提(ti)升澆注料(liao)強度及抗熱震性
圍繞澆(jiao)注(zhu)料強(qiang)度和抗熱震性(xing)的提(ti)升，研究者主要(yao)采用(yong)調(diao)整原料組分、引(yin)入添加劑等方法來(lai)實現。高梅(mei)等采用(yong)添加燒結尖晶石(shi)細粉來(lai)提(ti)升剛玉-尖晶石(shi)澆(jiao)注(zhu)料(liao)的(de)高(gao)溫抗折強度，結果表明直徑小(xiao)于0.038mm的燒(shao)結尖(jian)晶石細(xi)粉加入質量(liang)分數為5%時試樣的高(gao)溫抗折強度最(zui)高(gao)，抗熱震性最(zui)好。此外(wai)，尖晶(jing)石(shi)的類(lei)型和粒度對澆注料性能影響很重要(yao)，取決于這些尖晶(jing)石(shi)的分(fen)布和在高(gao)溫下的特定(ding)反應。
吳永生等研究(jiu)發現質量(liang)分數0.9%SiO2微粉(fen)能夠最大程度上提升剛玉(yu)-尖(jian)晶石(shi)抗熱震性， 其(qi)原因(yin)在(zai)于SiO2微粉對(dui)試(shi)樣(yang)的(de)(de)促燒結作用產生的(de)(de)收(shou)縮和試(shi)樣(yang)中生成原位(wei)尖晶石時產生的(de)(de)膨脹達到平衡狀態(tai)。另(ling)有研(yan)究表明α-AI2O3微(wei)粉(fen)的(de)添加可以(yi)提高澆注料的(de)強度(du)但會降低材料的(de)抗熱震(zhen)性能(neng)。
除了調整原料組(zu)分外，引入(ru)其他組(zu)分也能夠對剛(gang)玉-尖晶石(shi)澆注(zhu)料的高(gao)溫性能產(chan)生影響。連偉康等認為，添(tian)加3%質量分數(shu)ZrO2微粉可以最大(da)程度上提升剛玉--尖晶石澆(jiao)注料的高溫抗折強(qiang)度。圖1為(wei)1450℃高溫抗(kang)折(zhe)試(shi)驗(yan)后試(shi)樣(yang)的斷(duan)口(kou)形貌照片。可以看出， 沒有ZrO2引(yin)入時，纖維結構中存在大量互相交織的板(ban)狀CaO6AI2O 3(CA 6) ，這易(yi)引(yin)起試樣體(ti)積膨脹， 空隙變大， 氧化(hua)鋁和尖晶石顆粒存在于板狀CA 6間隙(xi)之(zhi)間； 當加入9%質量分數的ZrO2之后， CA 6的生(sheng)成量減少， 部(bu)分ZrO2獨立(li)存在于(yu)基質中， 在受到(dao)外力(li)作用時， 四方的ZrO2會發生(sheng)相變(bian)，產生(sheng)應(ying)力(li)誘導(dao)相變(bian)增韌， 同時(shi)ZrO2顆(ke)粒上(shang)產生的微裂紋也可以(yi)吸收(shou)澆注料中的主裂紋； 另一(yi)部(bu)分則(ze)反應生成Ca ZrO3， 使得(de)結構變得(de)相對致密； 上述兩部分共(gong)同(tong)作用，提(ti)高了澆注料(liao)的高溫抗折強(qiang)度。李志剛與(yu)葉方保(bao)利用納米碳酸鈣高溫分解產(chan)生的鋁酸鈣系礦物來提(ti)升剛玉--尖晶石澆注料(liao)的(de)高溫強度及抗(kang)熱震(zhen)性能。但是(shi)澆注料(liao)抵抗(kang)堿(jian)性渣的(de)侵蝕性和滲透(tou)性變差，工業(ye)推廣難度較大。此外， 也有(you)報道指出了TiO 2和促凝(ning)劑對(dui)于澆(jiao)注料性(xing)質的影響(xiang)， 其結(jie)果(guo)因澆(jiao)注料原料組分(fen)而(er)異。
圖(tu)1 1450℃高溫(wen)抗折(zhe)試驗后試樣(yang)斷口的顯微形貌。(a) 無ZrO2添加(jia)試(shi)樣；(b) 9%質量分數ZrO2微粉(fen)添加試樣
2.2澆注料與鋼水(shui)/熔(rong)渣的反應
上(shang)述(shu)關于提升(sheng)剛玉-尖晶石澆注(zhu)料(liao)高溫強度及抗(kang)熱震性能已取(qu)得較大的(de)(de)實際(ji)進展，但是這些進展并不能有效阻(zu)止澆注(zhu)料(liao)在高溫下與鋼水和(he)熔渣的(de)(de)反應(ying)。熔渣的(de)(de)侵蝕和(he)因滲透引起的(de)(de)結構剝落是剛玉-尖晶石(shi)澆注料耐火材料損毀(hui)最為主要的(de)原(yuan)因， 熔渣(zha)中含有多種化學成分， 易與耐火材料主要成分發生如下反應生成2MnO SiO2 AI2O3、2CaO SiO2 Al2O3等(deng)夾雜。此(ci)類(lei)夾雜粒度(du)(du)通常(chang)在(zai)微納尺度(du)(du)，上浮去除的難度(du)(du)相對較大，成為(wei)鋼(gang)水中夾雜物的主(zhu)要來源之(zhi)一。此(ci)外，精煉(lian)渣中高含量的CaO滲透進(jin)澆注料后會(hui)引發(fa)A I 203→CA 6→CaO2 AI2O 3(CA2) /12CaO7AI2O 3(C12A 7) 的連續膨脹反(fan)應過程(cheng)(cheng)。此膨脹過程(cheng)(cheng)與澆注(zhu)料本體的熱膨脹系(xi)數不匹配，最終導致反(fan)應滲透層本體料層逐步出現裂紋。在鋼包使(shi)用中易(yi)發(fa)生(sheng)相應部位的結構剝落，導致大尺寸的外(wai)來夾雜物引入到鋼水中去。
張殿軍(jun)與王(wang)會先(xian)研究(jiu)了不同(tong)堿度的精(jing)煉渣(zha)對(dui)剛玉-尖晶石澆注(zhu)料侵蝕行為的(de)影響，研究表(biao)明(ming)：相(xiang)較于高堿度渣(zha)，低(di)堿度渣(zha)對耐火(huo)材料的(de)侵蝕作用更強。渣(zha)的(de)組成不(bu)同及(ji)渣(zha)與澆注(zhu)料反應(ying)的(de)生成物不(bu)同是造成此差別的(de)主要原因。賈全利等研究表(biao)明(ming)體系中水泥質量分數≥6%時，剛玉(yu)--尖(jian)晶(jing)石澆注料的抗渣性能增強，其主(zhu)要原因在于：增加的水泥與(yu)基質中的剛玉(yu)發生反(fan)應， 生成(cheng)了更(geng)多(duo)板狀或片狀的CA 6， 增加了材料的致密性(xing)； 渣(zha)中的CaO與(yu)剛玉(yu)顆粒(li)反應形成(cheng)鋁(lv)酸鈣，該過程伴隨的(de)體積膨脹效應能夠有效愈合材料中的(de)氣孔并提(ti)高材料的(de)致(zhi)密性，從而抑制渣的(de)滲透，促進(jin)材料抗渣侵蝕能力的(de)提(ti)升。
近些年， 凱(kai)諾(nuo)斯公司開(kai)發了新一代(dai)鋁酸鹽水泥CMA 72， 該(gai)水泥(ni)中(zhong)含有(you)質(zhi)量(liang)分數(shu)70%的超細尖晶石， 這些(xie)平均(jun)粒徑僅為3um的(de)(de)尖(jian)(jian)晶石(shi)能夠隨水(shui)(shui)泥均(jun)勻的(de)(de)彌散(san)于澆注料的(de)(de)基質中(zhong)，從而改善澆注料的(de)(de)抗渣性能。但(dan)是這些超細(xi)的(de)(de)結構往(wang)(wang)往(wang)(wang)會使澆注料燒結活性變(bian)大，導致整體的(de)(de)抗震(zhen)性變(bian)差。為(wei)了減少這一負面效果，該水(shui)(shui)泥應用時需要提高粒(li)度(du)尖(jian)(jian)晶石(shi)和大粒(li)度(du)板狀剛玉的(de)(de)比例。
盡管已有研究在理解剛(gang)玉-尖晶(jing)石(shi)澆注料(liao)的侵(qin)(qin)蝕機理及提升材料(liao)抗(kang)侵(qin)(qin)蝕能(neng)力方面取得了(le)一定(ding)的進展(zhan)，但是并沒有改變材料(liao)的本質(zhi)， 即材料(liao)中的MgO、Al2O 3等成分主要是以方(fang)鎂石、剛玉或者(zhe)尖晶石等物相引入。這些材料的微粒在(zai)冶(ye)煉狀態下可(ke)能(neng)未(wei)經完全蝕損(sun)而在(zai)吹氬或循環脫氣(qi)的攪拌下進入到鋼水中，形成AI2O3夾雜或基于(yu)AI2O3的復合夾(jia)雜等(deng)，或(huo)成為微細夾(jia)雜，或(huo)成為大尺寸夾(jia)雜等(deng)。無論哪一(yi)種形式的夾(jia)雜對超(chao)潔凈(jing)鋼(gang)性能的不利影響都是很(hen)大的。
