在鋼包工作層用耐火材料的研究中，為了規避碳復合系耐火材料向鋼水中引入[C]的問(wèn)題，同時(shí)確保鋼包工作襯的抗侵蝕性能，研究者開(kāi)發(fā)了以高純合成原料為基礎的高純鋁鎂系耐火材料。該類(lèi)材料自20世紀90年代末推廣以來(lái)，因其使用壽命長(cháng)、不含碳、氧化硅和氧化鐵雜質(zhì)含量低等優(yōu)點(diǎn)而被鋼廠(chǎng)廣泛接受。高純鋁鎂系耐火材料主要包括剛玉-尖晶石澆注料、剛玉-氧化鎂澆注料及不燒磚等，其中剛玉-尖晶石澆注料是目前使用最多和研究較深入的，這里也重點(diǎn)介紹此類(lèi)材料的特點(diǎn)、發(fā)展及面臨的問(wèn)題。

1、剛玉-尖晶石澆注料的特點(diǎn)

剛玉--尖晶石澆注料是以鋁酸鈣水泥作為結合劑，以尖晶石細粉、鎂砂細粉、二氧化硅微粉等氧化物并輔以不同添加劑作為基質(zhì)部分，以尖晶石(熔點(diǎn)2135℃)和剛玉(熔點(diǎn)2050℃)作為骨料。該澆注料具有很強的耐磨損和抗沖刷的能力和很好的化學(xué)穩定性，因而可避免鋼水增碳或對鋼水的總氧含量產(chǎn)生不利影響，同時(shí)在抗渣性和抗熱震性方面均表現相對優(yōu)異。

2、剛玉-尖晶石澆注料的研究方向

盡管剛玉--尖晶石澆注料作為鋼包工作襯用耐火材料已取得了廣泛的應用，但是其材料本身還存在以下幾個(gè)問(wèn)題：首先，原位尖晶石生成時(shí)伴隨的體積膨脹，雖然能夠使材料結構致密并提高其抗渣滲透性能，但是也存在因膨脹量過(guò)大導致材料龜裂和剝落的弊端；其次，高的致密化往往會(huì )導致材料抗熱震性的下降，材料容易剝落；再次，熔渣與耐火材料的反應不可避免，該過(guò)程容易向鋼水中引入夾雜，尤其是大尺寸夾雜物，這些夾雜物對高品質(zhì)鋼的穩定性的損害是很?chē)乐氐?。因此，關(guān)于剛玉-尖晶石澆注料的進(jìn)展也是圍繞上面3個(gè)方面展開(kāi)。

2.1提升澆注料強度及抗熱震性 

圍繞澆注料強度和抗熱震性的提升，研究者主要采用調整原料組分、引入添加劑等方法來(lái)實(shí)現。高梅等采用添加燒結尖晶石細粉來(lái)提升剛玉-尖晶石澆注料的高溫抗折強度，結果表明直徑小于0.038mm的燒結尖晶石細粉加入質(zhì)量分數為5%時(shí)試樣的高溫抗折強度最高，抗熱震性最好。此外，尖晶石的類(lèi)型和粒度對澆注料性能影響很重要，取決于這些尖晶石的分布和在高溫下的特定反應。

吳永生等研究發(fā)現質(zhì)量分數0.9%SiO2微粉能夠最大程度上提升剛玉-尖晶石抗熱震性， 其原因在于SiO2微粉對試樣的促燒結作用產(chǎn)生的收縮和試樣中生成原位尖晶石時(shí)產(chǎn)生的膨脹達到平衡狀態(tài)。另有研究表明α-AI2O3微粉的添加可以提高澆注料的強度但會(huì )降低材料的抗熱震性能。

除了調整原料組分外，引入其他組分也能夠對剛玉-尖晶石澆注料的高溫性能產(chǎn)生影響。連偉康等認為，添加3%質(zhì)量分數ZrO2微粉可以最大程度上提升剛玉--尖晶石澆注料的高溫抗折強度。圖1為1450℃高溫抗折試驗后試樣的斷口形貌照片?？梢钥闯?， 沒(méi)有ZrO2引入時(shí)，纖維結構中存在大量互相交織的板狀CaO6AI2O 3(CA 6) ，這易引起試樣體積膨脹， 空隙變大， 氧化鋁和尖晶石顆粒存在于板狀CA 6間隙之間； 當加入9%質(zhì)量分數的ZrO2之后， CA 6的生成量減少， 部分ZrO2獨立存在于基質(zhì)中， 在受到外力作用時(shí)， 四方的ZrO2會(huì )發(fā)生相變，產(chǎn)生應力誘導相變增韌， 同時(shí)ZrO2顆粒上產(chǎn)生的微裂紋也可以吸收澆注料中的主裂紋； 另一部分則反應生成Ca ZrO3， 使得結構變得相對致密； 上述兩部分共同作用，提高了澆注料的高溫抗折強度。李志剛與葉方保利用納米碳酸鈣高溫分解產(chǎn)生的鋁酸鈣系礦物來(lái)提升剛玉--尖晶石澆注料的高溫強度及抗熱震性能。但是澆注料抵抗堿性渣的侵蝕性和滲透性變差，工業(yè)推廣難度較大。此外， 也有報道指出了TiO 2和促凝劑對于澆注料性質(zhì)的影響， 其結果因澆注料原料組分而異。

圖1 1450℃高溫抗折試驗后試樣斷口的顯微形貌。(a) 無(wú)ZrO2添加試樣；(b) 9%質(zhì)量分數ZrO2微粉添加試樣

2.2澆注料與鋼水/熔渣的反應 

上述關(guān)于提升剛玉-尖晶石澆注料高溫強度及抗熱震性能已取得較大的實(shí)際進(jìn)展，但是這些進(jìn)展并不能有效阻止澆注料在高溫下與鋼水和熔渣的反應。熔渣的侵蝕和因滲透引起的結構剝落是剛玉-尖晶石澆注料耐火材料損毀最為主要的原因， 熔渣中含有多種化學(xué)成分， 易與耐火材料主要成分發(fā)生如下反應生成2MnO SiO2 AI2O3、2CaO SiO2 Al2O3等夾雜。此類(lèi)夾雜粒度通常在微納尺度，上浮去除的難度相對較大，成為鋼水中夾雜物的主要來(lái)源之一。此外，精煉渣中高含量的CaO滲透進(jìn)澆注料后會(huì )引發(fā)A I 203→CA 6→CaO2 AI2O 3(CA2) /12CaO7AI2O 3(C12A 7) 的連續膨脹反應過(guò)程。此膨脹過(guò)程與澆注料本體的熱膨脹系數不匹配，最終導致反應滲透層本體料層逐步出現裂紋。在鋼包使用中易發(fā)生相應部位的結構剝落，導致大尺寸的外來(lái)夾雜物引入到鋼水中去。

張殿軍與王會(huì )先研究了不同堿度的精煉渣對剛玉-尖晶石澆注料侵蝕行為的影響，研究表明：相較于高堿度渣，低堿度渣對耐火材料的侵蝕作用更強。渣的組成不同及渣與澆注料反應的生成物不同是造成此差別的主要原因。賈全利等研究表明體系中水泥質(zhì)量分數≥6%時(shí)，剛玉--尖晶石澆注料的抗渣性能增強，其主要原因在于：增加的水泥與基質(zhì)中的剛玉發(fā)生反應， 生成了更多板狀或片狀的CA 6， 增加了材料的致密性； 渣中的CaO與剛玉顆粒反應形成鋁酸鈣，該過(guò)程伴隨的體積膨脹效應能夠有效愈合材料中的氣孔并提高材料的致密性，從而抑制渣的滲透，促進(jìn)材料抗渣侵蝕能力的提升。

近些年， 凱諾斯公司開(kāi)發(fā)了新一代鋁酸鹽水泥CMA 72， 該水泥中含有質(zhì)量分數70%的超細尖晶石， 這些平均粒徑僅為3um的尖晶石能夠隨水泥均勻的彌散于澆注料的基質(zhì)中，從而改善澆注料的抗渣性能。但是這些超細的結構往往會(huì )使澆注料燒結活性變大，導致整體的抗震性變差。為了減少這一負面效果，該水泥應用時(shí)需要提高粒度尖晶石和大粒度板狀剛玉的比例。

盡管已有研究在理解剛玉-尖晶石澆注料的侵蝕機理及提升材料抗侵蝕能力方面取得了一定的進(jìn)展，但是并沒(méi)有改變材料的本質(zhì)， 即材料中的MgO、Al2O 3等成分主要是以方鎂石、剛玉或者尖晶石等物相引入。這些材料的微粒在冶煉狀態(tài)下可能未經(jīng)完全蝕損而在吹氬或循環(huán)脫氣的攪拌下進(jìn)入到鋼水中，形成AI2O3夾雜或基于AI2O3的復合夾雜等，或成為微細夾雜，或成為大尺寸夾雜等。無(wú)論哪一種形式的夾雜對超潔凈鋼性能的不利影響都是很大的。