摘    要：镁铝尖晶石基耐火材料由于具有硬度高、机械强度高、抗热震性好、抗渣侵蚀和渗透性能优异、环境友好等特点，被广泛应用于钢包、电炉、水泥回转窑等高温工业设备的内衬。在钢的冶炼过程中，熔渣和钢液是与耐火材料直接接触的两种最为常见的侵蚀介质，因此综述了近些年关于镁铝尖晶石基耐火材料在制备、抗熔渣侵蚀和渗透，及其与钢液的相互作用三个方面的研究进展，并对镁铝尖晶石基耐火材料未来发展提出了几点建议，以期为耐火材料行业的发展提供一些参考。

镁铝尖晶石(MgAl2O4或MgO-Al2O3,简称MA)具有耐高温(2 135 ℃)、硬度高、机械强度高、耐化学腐蚀性能好等特点，是耐火材料等领域中重要的组成部分[1,2]。在耐火材料中，对镁铝尖晶石基耐火材料的成分定义变化范围较大，通常MgO为主要成分的矿物质量分数不小于20 %,因此统一将以Al2O3和MgO为主要化学成分的耐火材料称为镁铝尖晶石基耐火材料[3]。由于MgAl2O4自身优越的特性，以MgAl2O4为主要成分的镁铝尖晶石基耐火材料具有熔点高、导热系数低、热膨胀系数小、抗热震性好和抗侵蚀性能强等特点，因此被广泛应用于钢包、精炼炉、感应炉、水泥回转窑、水煤浆气化炉以及环形套筒竖窑等热工设备[4,5]。

镁铝尖晶石基耐火材料在炼钢领域应用广泛，例如在转炉钢包、中间包、水口、平炉炉顶、RH精炼炉等冶金容器及设备均有应用。随着炼钢技术的发展，除了传统的转炉炼钢和电炉炼钢外，真空环境或者电磁感应下钢的冶炼也对耐火材料提出了更高的要求。炼钢过程中，熔渣和钢液是耐火材料领域最为常见的两种侵蚀介质，熔渣主要由CaO、SiO2、MgO和Al2O3等氧化物，还有少量的氯化物、硫酸盐等其他类型的化合物组成，因此对不同类型的耐火材料侵蚀机理复杂多样。钢液与耐火材料直接接触时，耐火材料与钢液的相互作用会对钢液产生影响。因此为了避免耐火材料对钢液造成污染，现代冶金工业对耐火材料的要求日益提高，开发高性能的镁铝尖晶石基耐火材料可用于替代含铬耐火材料，保护环境以及用于真空环境、无渣环境下冶炼高品质洁净钢等领域。本文就近些年来关于镁铝尖晶石基耐火材料的制备，抗熔渣、抗其他介质的侵蚀及其与钢液的相互作用研究进展进行了综述，并对其发展方向进行了展望，以期为高性能镁铝尖晶石基耐火材料的开发及其与熔渣/钢液的相互作用机理解析以及高品质洁净钢冶炼用耐火材料的使用提供参考。

1 镁铝尖晶石基耐火材料的制备研究现状

镁铝尖晶石基耐火材料按照Al2O3含量和制造工艺可分为不同种类的耐火材料，根据Al2O3含量的不同分为：方镁石-尖晶石耐火材料(10 %<w(Al2O3)<30 %)、尖晶石耐火材料(30 %<w (Al2O3)<68 %)、尖晶石-刚玉耐火材料(73 %<w(Al2O3)<90 %)、刚玉-尖晶石耐火材料(w(Al2O3)>90 %);按制造工艺的不同，分为原位反应尖晶石耐火材料和预合成尖晶石耐火材料[6]。镁铝尖晶石基耐火材料通常有许多方法可以制备，其中固相烧结法是制备镁铝尖晶石基耐火材料的常用方法，许多学者研究了稀土氧化物等添加剂对镁铝尖晶石基耐火材料的影响，其研究现状综述如下。

1.1 固相烧结法制备致密/轻质镁铝尖晶石基耐火材料

固体废物的再利用是保护环境、节约资源的一大措施。李帅等[7]以二次铝灰(铝灰提取金属铝后的残渣)、化学试剂MgO为主要原料，在1 650 ℃保温3 h下通过固相烧结法制备得到显气孔率为33.3 %,常温耐压强度为43.5 MPa的镁铝尖晶石耐火材料。陈战考等[8]以轻质MgO和铝土矿为原料，聚乙烯醇为塑化剂，采用固相无压烧结法，在1 500 ℃下保温4 h成功制备荷重软化温度为1 458 ℃、常温抗折强度93.4 MPa的镁铝尖晶石耐火材料。烧结温度和原料配比也会影响耐火材料性能，Xuan等[9]以铝土矿和镁砂为原料，采用固相反应烧结法在1 350～1 500 ℃下烧结制备了镁铝尖晶石材料，并研究了不同摩尔比(n(Al2O3):n(MgO)分别为3、1和0.6)以及烧结温度对合成镁铝尖晶石材料物理性能的影响。随着原料中铝土矿相对含量的降低，材料的抗折强度会有一个先降低后升高的过程，当Al2O3和MgO的摩尔比为1,烧结温度为1 450 ℃时，制备得到的材料中尖晶石为初晶相，材料比较致密，其常温抗折强度能达到106.48 MPa。为了探究不同氧化铝源对镁铝尖晶石基耐火材料烧结致密化的影响，刘江波等[10]研究了活性Al2O3微粉、可水合氧化铝ρ-Al2O3、分析纯Al(OH)3、工业Al2O3四种氧化铝源对富镁尖晶石材料在1 550～1 700 ℃下烧结制备的影响。ρ-Al2O3、Al(OH)3和工业Al2O3的加入对提高富镁尖晶石材料烧结致密化的效果不明显，而活性Al2O3微粉的加入有利于提高材料的烧结致密性，加入活性Al2O3微粉的富镁尖晶石经1 700 ℃烧结3 h后能得到晶体发育较为完善，结构致密的镁铝尖晶石材料。

耐火材料轻量化是目前研究的一个重要方向[11,12]。Peng等[13]采用微孔多孔氧化镁为骨料，以尖晶石粉、刚玉粉为基质料，在1 550 ℃下烧结3 h制备得到一种轻质方镁石-镁铝尖晶石耐火材料，其体积密度为2.61 g/cm3,常温耐压强度为73.1 MPa, 具有优异的抗水泥熟料侵蚀性能。万齐法等[14]以α-Al2O3、电熔镁砂等为主要原料，酚醛树脂为结合剂，采用固相反应烧结法在1 550 ℃下保温4 h后得到轻质刚玉-尖晶石耐火材料，该方法制备的轻量刚玉-尖晶石耐火材料显气孔率虽达到了27.4 %,但其孔径较小、表皮致密、有较好的抗渣性和高荷重软化温度，体积密度为2.68 g/cm3、常温耐压强度为63.5 MPa。Yin等[15]以刚玉粉和镁铝尖晶石粉作为基质，方镁石颗粒和镁铝尖晶石颗粒为骨料，引入球形颗粒Al2O3@CaCO3(CaCO3包覆Al2O3)。在1 650 ℃下固相烧结3 h制备得到轻质尖晶石-刚玉耐火材料。该方法制备得到的耐火材料常温耐压强度可达到119.8 MPa、荷重软化温度为1 700 ℃。Chen等[16]以粗板状刚玉和烧结镁铝尖晶石为骨料，阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)为发泡剂，在1 550 ℃下烧结3 h得到微孔刚玉-尖晶石耐火浇注料。当发泡剂质量分数为1.5 %时得到的微孔刚玉-尖晶石耐火浇注料的体积密度为3.05 g/cm3、显气孔率为18.4 %、常温抗折强度和耐压强度分别为30.5 MPa和136 MPa。

1.2 添加剂对镁铝尖晶石基耐火材料制备和性能的影响

近年来许多学者在稀土氧化物以及其他添加剂的掺杂制备镁铝尖晶石基耐火材料方面进行了深入研究。Wang等[17]采用固相反应烧结法在1 600 ℃下制备了ZnO掺杂的MgAl2O4-CaAl12O19(MA-CA6)复合材料，由于ZnO中Zn2+能代替Mg2+形成均匀的(Mg1-xZnx)Al2O4固溶体，从而加速了MA的形成，促使复合材料在1 600 ℃烧结后的致密化程度和抗折强度大大提高。当添加质量分数2 % 的ZnO时，由于材料中的MA与CA6(六铝酸钙)晶粒之间结合最为紧密，材料的抗折强度最大能达到192.1 MPa, 显气孔率为8.5 %。

东北大学马北越课题组在镁铝尖晶石基耐火材料制备及稀土掺杂改性方面做了较多的工作，研究以ZrO2和不同稀土氧化物(Sm2O3、Y2O3、La2O3、CeO2)为添加剂制备得到致密度好、耐压强度高及抗热震性好的稀土铝(硅)酸盐改性的镁铝尖晶石基耐火材料。例如通过引入单相纳米ZrO2,在1 580 ℃下保温4 h烧结制备得到ZrO2-MgAl2O4复合耐火材料[18],发现纳米ZrO2质量分数(0、2.5 %、5 %、7 %)对ZrO2-MgAl2O4显微结构和体积密度有影响。相比于未添加ZrO2的MgAl2O4材料(体积密度为3.15 g/cm3),添加ZrO2能使材料的微观结构变得均匀和致密。当ZrO2添加质量分数为2.5 %时，ZrO2-MgAl2O4材料中MgAl2O4颗粒平均粒径为2 μm, 材料的体积密度为3.20 g/cm3。Ren等[19]研究了Sm2O3-Y2O3、Sm2O3-Nb2O5、Sm2O3-La2O3三种复合添加剂对烧结制备MgAl2O4耐火材料性能的影响，发现三种添加剂都对MgAl2O4材料的烧结致密性、显气孔率、常温耐压强度等性能都产生积极影响；相比于其他两种添加剂，掺入Sm2O3-Nb2O5使材料中生成了SmNbO4相，更能促进MgAl2O4材料的致密化；当添加质量分数2.5 %的Sm2O3-Nb2O5制备得到的MgAl2O4材料综合性能最佳，其显气孔率为3.91 %、常温耐压强度为335.87 MPa、抗热震次数为12次。此外，该课题组还研究了复合添加Sm2O3和La2O3对制备MgAl2O4材料的影响[20],复合添加Sm2O3和La2O3后形成的SmAlO3、La10Al4O21等微晶相能抑制材料中MA形成引起的膨胀，从而使MgAl2O4材料更加致密；Sm2O3和La2O3还会与原料中的杂质反应生成Sm4.67(SiO4)3O和La4.67(SiO4)3O形成棒状微晶，有效地清除了MgAl2O4材料晶界的杂质，材料的烧结性能、高温耐压强度和抗热震性能都得到了显著提高。

武汉科技大学王周福教授团队在稀土氧化物以及金属铝粉和单质硅等添加剂掺杂改性制备镁铝尖晶石基耐火材料方面也进行了深入研究。全正煌等[21]研究了CeO2和Sm2O3掺杂对方镁石-尖晶石材料烧结性能及显微结构的影响，发现引入CeO2和Sm2O3均能提高方镁石-尖晶石材料的烧结致密化，CeO2会呈孤立状分布在材料晶粒中，而Sm2O3能与材料中的杂质生成硅酸盐相分布于晶粒之间，CeO2和Sm2O3都能促进晶粒发育；当提高CeO2和Sm2O3的加入量时，材料的体积密度和线收缩率也随之增加。同等条件下，引入CeO2比Sm2O3更利于改善材料的烧结致密化程度。Liu等[22]以熔融尖晶石为原料，MgCl2为结合剂，采用固相烧结法在1 750 ℃下制备了掺杂质量分数0～3 % Y2O3的镁铝尖晶石耐火材料。随着Y2O3添加质量分数从0增加到2 %,所制备材料的体积密度大致保持不变，而显气孔率从16.7 %降至13.3 %,常温抗折强度从23.3 MPa逐渐增加到25.3 MPa, 常温耐压强度从89 MPa增加到112 MPa, 高温抗折强度(1 400 ℃)从5 MPa增至10 MPa; 当继续添加Y2O3至3 %时，镁铝尖晶石耐火材料的常温抗折强度、常温耐压强度均明显下降；当添加2 % 的Y2O3时，可制备出综合物理性能优异的镁铝尖晶石耐火材料。桂舜等[23]采用电熔镁砂和电熔尖晶石为主要原料制备出方镁石-镁铝尖晶石耐火材料，并研究了金属Al粉和单质Si粉两种添加剂对方镁石-镁铝尖晶石耐火材料烧结性能以及力学性能的影响。随着金属Al粉加入量的增加，所制备材料经不同温度(1 000、1 400、1 600 ℃)处理后的线膨胀率、常温抗折强度和常温耐压强度都有所增加，并且高温抗折强度也不断提高；复合添加的金属Al粉和单质Si能在材料内部基质中生成SiAlON等多种非氧化物晶须，增强了材料的韧性和强度，更有利于改善方镁石-镁铝尖晶石耐火材料的常温和高温力学性能。

2 镁铝尖晶石基耐火材料抗侵蚀研究现状

耐火材料的使用寿命除了与其高温强度和热震稳定性密切相关外，抗侵蚀性能亦是非常关键的指标[24,25]。镁铝尖晶石基耐火材料在抗熔渣侵蚀和渗透方面表现优异，其抗渣机理一般认为是尖晶石中阳离子缺陷可捕捉渣中的Fe、Mn等元素形成固溶体，Al2O3可与渣反应生成CA6(六铝酸钙)、CA2(二铝酸钙)等物质使渣的黏度增大，进而抑制渣对耐火材料的渗透[26]。对于不同类型的熔渣，作用机理略有不同，本文主要叙述了镁铝尖晶石基耐火材料抗CaO-Fe2O3-SiO2系熔渣、CaO-Fe2O3-SiO2-Al2O3系熔渣、CaO-Al2O3-SiO2系熔渣、高锰渣和煤熔渣等的侵蚀。

2.1 抗CaO-Fe2O3-SiO2系熔渣的侵蚀

CaO-Fe2O3-SiO2系熔渣常用于钢包，以CaO、Fe2O3、SiO2为主要成分，对钢液夹杂物的吸附、除去钢液中有害元素等有一定积极的作用。为探究Al2O3含量对镁铝尖晶石耐火材料抗钢包渣性能的影响，张艳奎等[27]研究了不同Al2O3质量分数(67 %、70 %、78 %、90 %)的镁铝尖晶石材料在1 600 ℃下抗钢包渣侵蚀性。随着Al2O3含量的增加，镁铝尖晶石耐火材料的抗渣侵蚀性能逐渐减弱，抗渣渗透性逐渐增强，但当w(Al2O3)增加到约90 %时其抗渗透性有所减弱。综合分析，镁铝尖晶石材料在与渣的反应过程中生成的MgO-FeOx固溶体和(Mg, Mn, Fe)(Fe, Al)2O4复合尖晶石能有效抑制钢包渣的侵蚀和渗透；而渗透层中游离的Al2O3与渣中CaO反应生成高熔点的并具有网状结构的CA6和CA2贯穿于尖晶石中间，有利于阻止渣的进一步渗透；当w(Al2O3)=78 %时，制备得到的镁铝尖晶石耐火材料综合抵抗钢包渣侵蚀和渗透的能力最好。镁砂的纯度也会影响镁铝尖晶石基耐火材料的抗渣性能，为了探究这一问题，刘朋狄等[28]以板状刚玉为骨料，刚玉细粉、Al2O3微粉为基质，纯铝酸钙水泥和SiO2微粉为结合剂，分别加入95中档烧结镁砂(w(MgO)>95 %,下同)、97电熔镁砂、98电熔镁砂制备得到镁铝尖晶石浇注料，并分别对其进行了抗钢包渣试验。结果表明：加入97、98电熔镁砂的浇注料的抗渣性要优于加入95中档烧结镁砂的耐火浇注料，这是由于95中档镁砂中有较多的杂质会使镁砂间玻璃相增大，浇注料显气孔率增大，使熔渣更容易渗透。

此外，通过引入颗粒较细的尖晶石细粉、镁砂或者添加剂来改善镁铝尖晶石基耐火材料的结构与组成，也能提高其抗渣性能。马三宝等[29]向轻质方镁石-尖晶石耐火材料中引入镁铝尖晶石细粉以调整材料的组成与结构，并研究了镁铝尖晶石细粉含量对轻质方镁石-镁铝尖晶石材料抗钢包渣性能的影响。与方镁石相比，镁铝尖晶石更容易吸收渣中Fe2O3和MnO,而渣中Fe2O3和MnO含量的减少能使渣的黏度增大，且随着镁铝尖晶石细粉质量分数从0增大到26.50 %,方镁石-尖晶石耐火材料中的孔径逐渐降低，以上两个因素共同提高了材料的抗渣渗透性。当材料的抗渣渗透性增加，耐火材料和渣的接触面积减小，从而抑制了尖晶石向渣中的溶解，提高了方镁石-尖晶石耐火材料的抗渣侵蚀性能。

缺陷尖晶石微粉往往有着更高的烧结活性和抗渣性能。李淑学等[30]研究了缺陷尖晶石微粉90MA(w(Al2O3)≈90 %)的加入量对刚玉-尖晶石浇注料抗钢包渣性能的影响。保持缺陷尖晶石微粉90MA加入质量分数在0～12 %,可有效提高抗渣性能。90MA微粉保留了富铝尖晶石抵抗渣侵蚀优良性能，且晶格畸变程度高，更容易吸收渣中Fe3+、Mn2+等离子；同时90MA微粉会与渣中Ca2+反应生成铝酸钙产物，提高了渣的黏度、降低渣对该浇注料的渗透能力。

2.2 抗CaO-Fe2O3-SiO2-Al2O3系熔渣的侵蚀

当渣中Fe2O3含量较多时，会形成CaO-Fe2O3-SiO2-Al2O3四元渣系，在铁水预处理、转炉钢包、RH精炼炉等冶金容器中有较多的应用。添加剂的使用往往会给镁铝尖晶石耐火材料在抗渣侵蚀方面带来积极的影响，因此董计太等[31]研究了复合添加剂(TiO2+ZrO2)对MgO-MgAl2O4耐火材料抗精炼渣性能的影响。在加入复合添加剂后，TiO2、ZrO2与熔渣中的含钙化合物会发生反应，生成的高熔点CaTiO3和部分CaZrO3会产生体积膨胀堵塞住材料气孔。这阻止了熔渣向材料内渗透，提高了抗熔渣侵蚀和渗透性能；当其复合添加质量分数为2 %时，所制备耐火材料的抗精炼渣侵蚀性和渗透性均最佳。为研究金属Al粉对镁铝尖晶石基耐火材料抗精炼渣的影响，孔祥魁等[32]以富铝尖晶石和大结晶镁砂为主要原料，添加金属Al粉制备了MgO-MgAl2O4-Al耐火材料，并在RH精炼炉中对其进行了抗精炼渣侵蚀试验。加入的Al粉一部分会先与方镁石形成原位尖晶石，过量的Al粉把方镁石还原成金属Mg附着在分界线上，在RH炉停炉卸压后又迅速氧化为方镁石，从而在渣与耐火材料的界面上形成致密的方镁石带，阻止了渣的进一步渗透和侵蚀；Al粉还会与尖晶石、方镁石等形成Mg-Al-(Si)-O-N系非氧化物，也对MgO-MgAl2O4-Al耐火材料的抗渣性能有着积极作用。

尖晶石细粉可以更好地填充于耐火材料的基质微孔中，提高材料的抗渣性，但不同技术特征的尖晶石细粉原料对耐火材料性能的影响有所差别。宋雅楠等[33]以板状刚玉细粉、尖晶石细粉和微粉为主要原料，纯铝酸钙水泥为结合剂制备得到刚玉-尖晶石浇注料，并研究了尖晶石细粉粒度对浇注料抗钢包渣性能的影响。结果表明：刚玉-尖晶石浇注料的抗渣性能与尖晶石的粒度大小有关，尖晶石细粉的粒度越细，抗渣性能越好。这是由于粒度越细的尖晶石可均匀地分散在板状刚玉基质中，形成连续的屏障以抵抗渣的侵蚀和渗透。此外，该浇注料的抗渣性与尖晶石细粉的填充性能有关，填充性能越好，浇注料的加水量就越少，显气孔率降低，减少了熔渣渗透，提高抗渣性能。

轻质镁铝尖晶石基耐火材料在抗熔渣侵蚀也有不错的表现，Yin等[34]对一种外部致密和内部多孔结构的轻质刚玉-尖晶石耐火材料进行了抗渣试验。发现轻质刚玉-尖晶石耐火材料虽然具有较高显气孔率，但是仍具有优异的抗渣渗透性，这是因为轻质刚玉-尖晶石耐火材料致密的外表能有效阻止熔渣的渗透；耐火材料中的尖晶石能吸收熔渣中的大部分的Fe、Mn等元素，熔渣黏度增大，耐火材料与熔渣反应过程中生成的C2S(硅酸二钙)、CA2、CA6等物相，尤其是刚玉骨料周围的条状CA6,可阻止熔渣对耐火材料进一步的侵蚀和渗透。

2.3 抗CaO-Al2O3-SiO2系熔渣的侵蚀

CaO-Al2O3-SiO2渣系是以CaO、Al2O3、SiO2等物质为主，含有少量硫化物和碳化物，如MnO、CaS等的熔渣，广泛应用于高炉炼铁、二次精炼及铸造等冶金过程，是冶金工业中较为常见的一种渣系，研究镁铝尖晶石耐火材料抗CaO-Al2O3-SiO2渣侵蚀具有重要意义。电磁场在洁净钢的冶炼中的应用广泛，不可避免对熔渣-耐火材料界面反应造成影响[35]。李世明等[36]研究了电磁场作用下熔渣对镁铝尖晶石基耐火材料的侵蚀和渗透行为，采用MgO和Al2O3质量分数分别为84.40 %和12.77 %的耐火材料，在具有电磁场、真空、惰性气氛等多因素环境下进行1 600 ℃的抗渣侵蚀试验。发现在电磁场作用下，熔渣对耐火材料的侵蚀和渗透并不明显，镁铝尖晶石基耐火材料能抵抗电磁场下熔渣的侵蚀和渗透。

高耸等[37]以电熔镁砂、电熔镁铝尖晶石粉和Al粉等为原料，以酚醛树脂为结合剂制备得到MgO-MgAl2O4-Al耐火材料，并进行了抗渣侵蚀试验。研究发现：在高温下由于MgO-MgAl2O4-Al材料中金属Al的存在会促使MgO转化为Mg(g)向材料外部扩散，而在材料外部Mg(g)被重新氧化成MgO而形成致密的MgO层，提高了材料的抗渣侵蚀性和抗渗透性。Cho等[38]探究了CaO-Al2O3-SiO2熔渣对镁铝尖晶石耐火材料的侵蚀机理，结果发现：镁铝尖晶石耐火材料表面会因为MgO与渣的反应生成一层MgO·(Al, Fe)2O3复合尖晶石层，而材料中游离Al2O3也会与渣中的CaO反应，在材料表面生成CaO-Al2O3化合物；镁铝尖晶石材料中尖晶石和游离的MgO会从渣中捕获Fe2O3形成固溶体，增大了渣的黏度；镁铝尖晶石材料中MgO含量越高，其抗渣侵蚀性能越好。

Ma等[39]的研究表明，相比于刚玉(Al2O3)、Al2O3-ZrO2-SiC等Al2O3基耐火材料，MgAl2O4、MgAl2O4-ZrO2、MgAl2O4-ZrO2-CaO等镁铝尖晶石基耐火材料由于体积密度较低，且材料中含有的尖晶石组分能提高渣的黏度，因此表现出较好的抗渣侵蚀性和渗透性。

2.4 抗高锰渣和煤熔渣的侵蚀

高锰渣是Mn含量较高的熔渣，常见于高锰钢的生产过程中，高锰渣会与耐火材料直接接触，为此，Jeon等[40]以镁铝尖晶石细粉为原料，加入结合剂(主要成分为CaO、Al2O3、SiO2、MgO)制备得到镁铝尖晶石耐火材料，研究了该耐火材料抗高锰渣的侵蚀。镁铝尖晶石材料的显气孔率以及骨料之间是否存在结合剂是影响材料抗渣性的两个重要因素，尖晶石耐火材料的显气孔率高，渣会直接通过较多的气孔渗透到材料内部，阻止了骨料之间的结合，从而降低了材料的强度；当骨料之间存在结合剂时，骨料和结合剂之间发生的化学反应会使得材料更为致密，抑制了渣的进一步渗透。

煤熔渣主要含有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等成分，常见于水煤浆气化炉，镁铝尖晶石耐火材料是用于水煤浆气化炉内衬的常用耐火材料，抗煤熔渣侵蚀的研究也是目前的研究热点之一。曹雨后等[41]的研究发现煤熔渣与镁铝尖晶石基耐火材料在高温下接触时，会渗透进耐火材料内部，使其结构变得疏松，材料侵蚀层出现裂纹，镁铝尖晶石基耐火材料抵抗高温煤熔渣的渗透性能一般；但镁铝尖晶石基耐火材料中镁铝尖晶石颗粒保持原有的形貌并与熔渣有着明显的分界，没有与熔渣发生反应，材料抗煤熔渣侵蚀能力较强。通过添加适量ZrO2、Cr2O3、铁铝尖晶石以及Al粉都能增强镁铝尖晶石耐火材料抗煤熔渣的侵蚀和渗透能力。

为探索水煤浆气化炉炉衬耐火材料的无铬化，王岚等[42]研究了煤熔渣对MgAl2O4-SiC复合材料的侵蚀机制。发现煤熔渣会通过MgAl2O4基质向材料内部渗透，使材料产生裂纹，但煤熔渣中的Fe元素会将材料中的SiC氧化成SiO2,SiO2进入到渣中可以提高渣的黏度，进而抑制了渣的渗透。综合分析，提高MgAl2O4-SiC复合材料的抗煤熔渣侵蚀性主要通过改善MgAl2O4基质的烧结性能和SiC颗粒的抗氧化性。

2.5 抗其他介质的侵蚀

关于镁铝尖晶石基耐火材料抗侵蚀方面，除了抗熔渣侵蚀外，还涉及抗其他特殊介质的侵蚀，主要有抗水泥熟料、抗碱盐及碱蒸气的侵蚀[43]。

2.5.1 抗水泥熟料的侵蚀

章道运等[44]研究了水泥熟料对方镁石-镁铝尖晶石耐火材料的侵蚀行为。结果表明：在高温下，水泥熟料主要由耐火材料表面的开口气孔开始逐渐向材料内渗透，并与材料中的方镁石及基质M2S(Mg2SiO4)生成一种低熔点化合物，从而使得方镁石、M2S不断溶解，使砖形成致密的变质层，当温度升高时，水泥熟料对方镁石-镁铝尖晶石砖的渗透和侵蚀作用会更加剧烈。为了研究添加剂对镁铝尖晶石基耐火材料抗水泥熟料侵蚀性能的影响，陈娜等[45]通过复合添加TiO2和ZrO2制备方镁石-镁铝尖晶石材料。结果表明：复合添加TiO2和ZrO2后，方镁石-镁铝尖晶石材料的内部晶界处会形成高熔点、高黏度的固溶相CaZrO3和CaTiO3,有效地抵抗了水泥熟料向耐火材料内部渗透。林小丽等[46]研究了轻量化方镁石-镁铝尖晶石材料的抗水泥熟料侵蚀性能。发现适量的尖晶石含量能提高轻量化方镁石-镁铝尖晶石材料的抗水泥熟料侵蚀性能，但尖晶石质量分数不宜超过50 %,否则会使材料遭到严重损坏。当尖晶石质量分数在15 %～40 %时，轻量化方镁石-镁铝尖晶石材料的抗水泥熟料侵蚀性能最佳。

2.5.2 抗碱盐及碱蒸气的侵蚀

为提高镁铝尖晶石基耐火材料的抗碱盐侵蚀性能，需要进一步探究碱盐的侵蚀行为对其结构的影响。章道运等[44]研究了碱盐(K2SO4、KCl)对方镁石-镁铝尖晶石耐火材料的侵蚀行为。碱盐会与材料中的杂质反应生成气体，气体的挥发使得碱盐侵蚀材料高温层中的方镁石及结合相。这导致高温层变得疏松，大量水泥熟料会渗透和侵蚀疏松的高温层而形成致密的变质层。同时碱盐会在中温及低温层出现析晶、沉积等情况，增加了变质层的厚度。当温度波动时，致密且较厚的变质层会使得方镁石-镁铝尖晶石材料的结构产生严重剥落，因此控制材料中杂质含量能使材料的使用寿命提高。

此外，刘江波等[47]研究了镁铝尖晶石材料抗碱蒸气侵蚀性的侵蚀机理。发现在高温碱蒸气环境中，镁铝尖晶石耐火材料基本不与碱蒸气发生化学反应。但是少量的碱蒸气会沿着耐火材料的微裂纹和气孔进入到材料内部，进入到材料内部的碱蒸气会与尖晶石中的Al2O3反应，破坏耐火材料的结构，从而使耐火材料出现裂纹和晶界剥落的情况。谢静等[48]研究了富铝镁铝尖晶石基耐火材料的抗碱蒸气侵蚀性能。结果表明：相对于铬铁矿材料，富铝镁铝尖晶石基耐火材料由于结构致密，能有效抵抗碱蒸气中K元素的渗透。当富铝尖晶石材料中添加质量分数15 %的尖晶石微粉，能使材料的显气孔率明显降低，体积密度明显提高，从而减少碱蒸气中K元素的扩散。

3 镁铝尖晶石基耐火材料与钢液相互作用研究现状

钢包、中间包等冶金容器内衬耐火材料在整个炼钢过程中会与钢水直接接触，耐火材料与钢液之间的相互影响不可避免[49],这种影响一般表现为：钢液对耐火材料进行侵蚀渗透和冲刷，将会导致耐火材料的结合能力下降，严重影响耐火材料的使用寿命，制约炼钢的冶炼安全和效率[50]。而钢的冶炼过程中，耐火材料与钢液的反应可能会使钢液中元素含量、夹杂物类型发生改变，对钢液的质量产生一定的影响[51,52,53]。近年来，洁净钢的冶炼对耐火材料提出了更高的要求，要求耐火材料对钢液无污染(或可控),因此研究耐火材料与钢液之间的相互作用很有必要。

3.1 钢液对耐火材料的影响

钢液对耐火材料产生的影响主要与钢液与耐火材料之间的界面张力和耐火材料自身的化学稳定性有关。叶超等[54]研究了钢液对MgAl2O4以及MgAl2O4-MgAlON耐火材料侵蚀能力的变化。发现随着钢液与材料接触时间的增加，MgAl2O4耐火材料受到钢液的溶解侵蚀明显，材料的渗透厚度增大；而MgAl2O4-MgAlON复合材料能有效降低钢液对耐火材料的溶解和渗透，同时减少钢中元素向耐火材料内部的渗透。杜景云等[55]研究了钢液对镁铝尖晶石耐火材料的侵蚀机理。发现在镁铝尖晶石耐火材料受到钢液侵蚀过程中，一方面钢液中的[C]会与耐火材料中的MgO组分发生反应；另一方面耐火材料颗粒界面由于钢液的渗透会析出低熔点化合物，减弱耐火材料组分间的结合作用；这两者直接导致了耐火材料颗粒间的结合力的降低，加剧了钢液对耐火材料的冲刷和侵蚀。

研究钢液对耐火材料的影响对洁净钢冶炼及应用都具有重要意义。罗旭东等[56]的研究表明Al2O3、Cr2O3等作为添加剂加入到方镁石-尖晶石耐火材料中，随着Al2O3或Cr2O3添加剂含量的增加，钢液对方镁石-尖晶石耐火材料的侵蚀深度均逐渐增加，抗侵蚀性有下降的趋势，而Cr2O3本身具有良好的抗渣性，但作为添加剂不利于方镁石-尖晶石耐火材料抗钢液侵蚀性能。这主要是因为Al2O3、Cr2O3耐火材料在一定条件下会溶入钢液，增加钢液中的氧含量，不利于方镁石-尖晶石耐火材料抗侵蚀性能的提升。Tong等[57]研究了Al-MgO-MgAl2O4耐火材料抗钢液的侵蚀行为。发现在真空处理过程中，随着温度的升高和氧分压的降低，钢液中少量的Fe会在耐火材料/钢液界面被氧化成FeO,生成的FeO会与耐火材料中的MgO形成(Mg, Fe)O固溶体。同时，由于Al-O反应，耐火材料中生成了MgAlON和MgO致密层，提高了Al-MgO-MgAl2O4耐火材料的抗侵蚀和渗透性。

3.2 耐火材料对钢液的影响

耐火材料对钢液的影响主要体现在两方面：一是在长期接触中，耐火材料组分直接溶解到钢液中，引起钢液成分变化，形成内生夹杂又或者是耐火材料的结构剥落，形成非金属夹杂，降低洁净度[58,59]。二是耐火材料与钢液之间的传质和反应，使得钢液中元素含量发生改变，影响钢的性能[60]。因此需要不断控制优化耐火材料的化学与结构稳定性，以减小钢中夹杂物的不利影响。

在冶炼控制过程中，耐火材料对钢液的脱碳很重要，周翔等[61]的研究表明富镁尖晶石耐火材料在高温下对钢液脱碳有明显促进作用，钢液中[C]会与富镁尖晶石中的MgO、MgAl2O4等组分反应生成CO气体从钢液中脱去，这使得钢液中碳含量减少，当温度高于1 730 ℃时，富镁尖晶石耐火材料对钢液的脱碳作用会更加显著。

钢中夹杂物的控制是钢冶炼中的一大重点，因此Deng等[62]研究了尖晶石耐火材料对铝镇静钢中非金属夹杂物的影响。由于尖晶石耐火材料中MgO的活性非常低，难以在钢液中生成溶解态Mg, 尖晶石耐火材料对铝镇静钢中非金属夹杂物的影响较小。Chen等[63]对铝镇静钢钢液与Al2O3-MgAl2O4耐火材料的相互作用进行了研究。研究发现：Al2O3-MgAl2O4耐火材料与钢液反应会在渣/耐火材料界面处形成一层铁尖晶石及铁的反应产物层，阻止耐火材料和钢液之间的直接传质。为了有效降低钢液中外来夹杂物，Kong等[64]研究了MgAl2O4耐火材料对中锰钢中夹杂物的影响，发现钢液中溶解的[Mn]会与耐火材料发生反应，在材料表面生成一层(Mn, Mg)O·Al2O3复合物。这表明该夹杂物来源于MgAl2O4耐火材料，因此控制耐火材料表面(Mn, Mg)O·Al2O3层的脱落将是一种减少中锰钢中该类型夹杂物的有效方法。

4 结 语

近年来，随着钢铁冶炼工艺的不断进步，高温工业对耐火材料的要求越来越高。例如在炼钢方面，为得到更高品质的洁净钢，耐火材料的选择尤为重要，不仅要求耐火材料能适应更加苛刻的使用条件，还要求其具有一定的功能性和环保性。镁铝尖晶石基耐火材料在抗熔渣、钢液以及其他介质的侵蚀和渗透方面均表现出色，同时镁铝尖晶石基耐火材料在现代工业许多方面有潜力完全取代镁铬耐火材料，降低环境污染，属于环保型耐火材料。因此有针对性地对镁铝尖晶石基耐火材料进行深入研究和开发，势必会对耐火材料行业乃至耐火材料下游的高温行业发展做出积极贡献。因此建议镁铝尖晶石基耐火材料未来应在如下几个方面开展工作：

1)重点研究和开发性能更加优异的镁铝尖晶石基耐火材料，用于代替含铬耐火材料等对环境有害的耐火材料，使耐火材料变得高效环保；

2)重点研究包括稀土氧化物在内的添加剂对镁铝尖晶石基耐火材料综合性能调控机制，以便更好地指导高性能镁铝尖晶石基耐火材料的生产；

3)深入开展镁铝尖晶石基耐火材料对钢液及其他金属液质量的影响，为高品质金属材料的生产提供性能优异且匹配性俱佳的耐火材料；

4)深入探索镁铝尖晶石基耐火材料在化工、电力等非冶金行业应用的可能性，进一步拓宽其应用领域。