摘要： 本文旨在深入研究山东省金属冶炼转炉用高铝碳化硅碳质浇注料与纳米改性硅质砖抗渣性能之间的关联。通过对两种耐火材料的组成、结构分析，以及在模拟转炉渣环境下的抗渣侵蚀实验，探讨了其抗渣机理的异同与相互联系，为转炉耐火材料的选择与优化提供理论依据，以提升转炉的服役寿命与生产效率，降低生产成本并减少因耐火材料损耗带来的环境污染。

一、引言

在山东省的金属冶炼行业中，转炉炼钢工艺占据着极为重要的地位。转炉在炼钢过程中，其内衬耐火材料直接与高温钢水、炉渣及各种反应物质接触，承受着极高的温度、化学侵蚀、机械冲刷等恶劣条件。高铝碳化硅碳质浇注料和纳米改性硅质砖作为常用的转炉耐火材料，其抗渣性能优劣对转炉的稳定运行、炉龄长短以及钢材质量有着关键影响。深入探究这两种材料抗渣性能的关联，有助于精准选材、协同使用，进而推动山东省金属冶炼行业的高效、可持续发展。

二、高铝碳化硅碳质浇注料与纳米改性硅质砖的特性

（一）高铝碳化硅碳质浇注料

1. 组成结构

- 以高铝矾土为主要骨料，提供较高的氧化铝含量，赋予材料良好的耐高温性能与一定的酸碱抵抗能力。碳化硅作为重要添加剂，其高硬度、高熔点特性有助于提升浇注料的耐磨性与耐高温性，在高温下形成一层致密的保护层，阻止熔渣的渗透。碳质成分则起到增强材料导热性、缓解热应力的作用，同时在高温下与一些氧化物反应，改善材料的高温性能。

- 这种多元组合使得浇注料内部形成复杂的复合结构，各相之间相互补充、协同作用，构建起抵御渣侵蚀的多道防线。

2. 抗渣性能表现

- 在与转炉渣接触时，高铝相可与渣中的酸性或碱性组分发生一定程度的化学反应，形成相对稳定的铝酸盐等产物，减缓渣对材料的直接侵蚀。碳化硅凭借其优异的化学稳定性，在高温下不易与渣发生反应，有效地阻挡了渣液的进一步渗透，降低了渣对浇注料内部的侵蚀速度。碳质成分在高温下与渣中氧化物反应生成部分气体，在一定程度上能缓解渣的渗透压力，但过量反应可能导致材料结构疏松，不过总体而言，三者协同使得浇注料表现出中等水平的抗渣性能，尤其在抗渣渗透方面具有独特优势。

（二）纳米改性硅质砖

1. 组成结构

- 以硅质原料为基础，其高纯度的二氧化硅赋予了砖优良的耐火性能与耐酸性。纳米改性剂的引入是该砖的显著特点，纳米粒子具有极大的比表面积与表面活性，能够填充硅质砖内部的微小孔隙，优化材料的孔径分布，提高致密度。这些纳米粒子在高温下还可与硅质基体发生相互作用，形成特殊的界面结构，增强材料的内部结合力，提升整体力学性能与耐高温性能。

- 从微观结构看，纳米改性后的硅质砖晶粒更加细小均匀，气孔率降低且孔径更小，为抵御渣侵蚀提供了更为坚实的物理屏障。

2. 抗渣性能表现

- 硅质砖本身对酸性渣具有良好的抗侵蚀能力，由于转炉渣多为碱性，在与渣接触初期，硅质砖表面的二氧化硅会与渣中的碱性氧化物发生反应，生成一层硅酸盐保护层，这层保护层能够阻止渣的进一步渗透与侵蚀，但随着反应的持续进行，保护层可能会被破坏。而纳米改性作用使得硅质砖在抗渣过程中，纳米粒子能够有效抑制裂纹的扩展，提高材料在热震与渣蚀交替作用下的稳定性，其抗渣性能在抗碱性渣侵蚀方面通过合理的反应机制与结构优化得到了显著提升，相较于未改性硅质砖，具有更好的综合抗渣能力。

三、抗渣性能关联的研究方法与实验设计

（一）研究方法

本研究采用理论分析与实验研究相结合的方法。首先通过对两种耐火材料的组成、结构进行详细分析，从理论上探讨其抗渣性能的可能机制与影响因素。然后设计并开展一系列模拟转炉实际工况的抗渣侵蚀实验，对比两种材料在不同渣系、不同温度、不同侵蚀时间下的抗渣效果，精确测量渣侵蚀深度、渗透程度等关键指标，运用现代分析技术如扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）等手段对侵蚀后的材料微观结构进行表征，深入剖析抗渣过程中的物理化学变化，从而揭示两者之间抗渣性能的内在关联。

（二）实验设计

1. 实验原料

- 选取山东省金属冶炼转炉常用的高铝碳化硅碳质浇注料与纳米改性硅质砖作为实验样品，将样品加工成标准尺寸的试样，确保表面平整、无缺陷。同时，根据转炉实际渣的成分范围，配制多种模拟转炉渣，其主要化学成分包括 CaO、SiO₂、MgO、FeO 等，以涵盖不同碱度、不同氧化性的渣系，用于全面考察耐火材料的抗渣性能。

2. 实验设备与条件

- 采用高温电阻炉模拟转炉内的高温环境，实验温度设定在转炉炼钢过程中的常见温度区间，如 1600℃ - 1700℃。将试样与模拟渣分别放置在特定的坩埚中，确保试样与渣充分接触，在设定的温度下保温一定时间，然后取出试样，自然冷却后进行相关性能测试与微观结构分析。

3. 性能测试与表征

- 通过测量试样在渣侵蚀前后的重量变化、尺寸变化计算渣侵蚀深度与体积损失，评估抗渣侵蚀能力。利用 SEM 观察试样侵蚀后的表面形貌与断面结构，分析渣的渗透情况与材料的显微结构变化，借助 EDS 确定侵蚀产物的化学成分，从而深入了解抗渣过程中的化学反应与扩散行为，为揭示两种材料抗渣性能关联提供直观、准确的实验数据。

四、抗渣性能关联的分析与讨论

（一）抗渣机理的相似之处

1. 物理屏障作用

- 无论是高铝碳化硅碳质浇注料还是纳米改性硅质砖，都在不同程度上依靠材料的致密结构与低气孔率来阻挡渣液的渗透。高铝碳化硅碳质浇注料中多种骨料与基质的合理搭配，以及纳米改性硅质砖中纳米粒子对孔隙的填充，都使得渣难以通过毛细管作用深入材料内部，在侵蚀初期就形成了有效的物理防护层，减缓了渣对材料内部组织的破坏速度。

2. 化学反应生成保护层

- 两种材料在与转炉渣接触时，都会在表面或近表面区域发生化学反应，生成相对稳定的化合物层。高铝碳化硅碳质浇注料中的高铝相与渣反应生成铝酸盐等产物，纳米改性硅质砖中的二氧化硅与渣中的碱性氧化物反应形成硅酸盐层，这些保护层在一定程度上隔离了渣与材料的进一步接触，降低了化学反应速率与侵蚀程度，在抗渣过程中发挥了重要的自我保护机制。

（二）抗渣机理的不同之处

1. 材料成分与反应特性差异

- 高铝碳化硅碳质浇注料由于含有多种成分，其与渣的反应较为复杂，除了高铝相的反应外，碳化硅和碳质成分在高温下也会参与反应，且反应产物多样，既有可能生成气体缓解渣的渗透压力，也可能因过度反应导致材料结构疏松。而纳米改性硅质砖主要基于硅质成分与渣的酸碱反应，反应相对单一，生成的硅酸盐保护层成分较为明确，但其稳定性在长期侵蚀过程中可能会受到离子扩散等因素的影响而发生变化。

2. 微观结构演变差异

- 在抗渣侵蚀过程中，高铝碳化硅碳质浇注料的微观结构变化表现为各相之间的相互作用与重新排列，例如碳化硅颗粒周围的基质可能会因反应而出现疏松或致密化的区域，同时伴有裂纹的产生与扩展，但这些裂纹可能会被新生的反应产物填充或阻碍，整体结构变化较为复杂且具有一定的自修复能力。纳米改性硅质砖则主要表现为纳米粒子对晶界与孔隙的强化作用在侵蚀过程中的逐渐减弱与再平衡，其晶粒生长与孔隙变化相对较为规律，但由于纳米效应的存在，局部区域的结构变化可能对整体抗渣性能产生显著影响。

（三）抗渣性能关联的综合体现

在实际转炉环境中，高铝碳化硅碳质浇注料与纳米改性硅质砖的抗渣性能关联并非简单的叠加或对比关系。当两者配合使用时，例如在转炉的不同部位根据其特定的工作环境与侵蚀特点选择合适的材料，由于它们抗渣机理的异同，可能会产生协同效应。在渣线等侵蚀严重的区域，纳米改性硅质砖的高致密度与良好的抗碱侵蚀性