摘    要：耐火材料作为钢铁冶炼用高温窑炉的内衬，对其提高热效率、降低能耗起着至关重要的作用。近年来，先进钢铁冶炼用耐火材料轻量化的研究受到广泛关注。基于此，根据轻量化耐火材料的种类综述了先进钢铁冶炼用轻量化耐火材料的研究进展，以期指导长寿轻量化耐火材料的设计和开发，促进先进钢铁冶炼用高温窑炉的节能减排。耐火材料的轻量化可通过引入轻量骨料和密度梯度的结构设计实现。轻量化耐火材料具有较低的热导率和体积密度，较好的隔热性能，可直接作为工作层使用。轻量化耐火材料的制备技术、种类及损毁机理尚需深入研究。

目前，中国钢铁产量居世界第一，但钢铁冶炼用热工窑炉的能耗较高，平均热效率与国外相比仍有较大差距，在节能降耗方面依然面临巨大挑战。同时，抑制炉皮散热和蓄积到耐火材料中的热损失，有利于防止钢水温度下降和提升钢水质量。钢铁冶炼用节能耐火材料的开发在实现节能降耗方面发挥着重要的作用。为了提高钢铁冶炼用窑炉的热效率，降低窑炉的能耗，钢铁冶炼用耐火材料正逐渐向轻量化方向发展[1]。

钢铁冶炼窑炉用耐火材料常由工作层和隔热层组成[2]。隔热层一般由轻质隔热耐火材料构成，虽然其热导率低，热容小，保温隔热效果好，但受强度、耐磨损性能、耐火度和抗侵蚀能力所限，不能直接用作和钢水接触的工作层。工作层一般由重质耐火材料组成，虽然其高温性能良好，但热导率较高，隔热性能不佳。因此，开发和研究既能作为工作层使用，又具有良好隔热性能的轻量化耐火材料可为钢铁冶炼的节能降耗起到助力作用。轻量化耐火材料的体积密度介于重质耐火材料和轻质耐火材料之间，其核心是在降低重质耐火材料热导率、体积密度的同时保持耐火材料强度、耐磨损、抗渣侵蚀等性能。因此，寻求轻量化耐火材料热导率与强度和抗渣性之间的平衡是轻量化耐火材料研究的重点。

近年来，先进钢铁冶炼用耐火材料的轻量化研究已逐渐成为耐火材料领域的热点。本文根据轻量化耐火材料的种类，结合近年来轻量化耐火材料的研究成果，综述了先进钢铁冶炼用轻量化耐火材料的研究进展，以期指导长寿轻量化耐火材料的设计和开发，促进钢铁冶炼用高温窑炉的节能减排。

1 耐火材料轻量化的途径

在确保重质耐火材料高温性能的前提下，采用适当的技术手段降低其热导率是实现耐火材料轻量化需要考量的重要因素之一。气孔可抑制热量的传导，改变材料内部气孔的体积分数和结构状态可有效降低材料的热导率。气孔率越大，热导率越小，这是由于气体的热导率很低，气孔能引起声子的散射，导致声子的平均自由程减小，降低热传导作用；气孔率越高，材料内部的总反射界面越大，降低了其热辐射吸收能力。同时，气孔孔径与材料的热导率之间也存在着相关性[3,4]。对于相同材质材料，气孔孔径越小，其辐射传热量越小，热导率越低。Nait-Ali等[5]认为当气孔孔径小于10 μm以后，材料的热导率随孔径减小迅速下降。朱伯铨等[6]发现纳米颗粒的添加可以对材料内部的大气孔产生细化作用，从而进一步降低材料的热导率。耐火材料的轻量化主要是通过向重质耐火材料中引入一定量的气孔，使耐火材料在不显著降低高温使用性能的同时具有良好的保温隔热性能。气孔的引入直接影响着耐火材料的性能，一方面能够降低热导率、体积密度，提高抗热震性；另一方面，一定程度上降低了材料的强度、耐磨性和抗渣性[7,8]。因此，轻量化耐火材料的研制要综合考虑其隔热性能和高温性能。目前，耐火材料轻量化的途径主要有2种，一种是引入轻量骨料，另一种是采用密度梯度的结构设计（图1）。

图1 耐火材料轻量化的途径  

向耐火材料中引入轻量骨料是目前实现耐火材料轻量化的主要途径。轻量化耐火材料的制备方法与传统耐火材料的制备方法类似，材料主要由骨料和基质组成。基于“骨料微孔化，基质紧密化”思路，一般轻量化耐火材料是由微孔骨料和致密的基质组成。利用具有较高气孔率的高强度微孔骨料替代传统致密骨料是制备轻量化耐火材料最直接可行的方式。微孔骨料的制备方法与多孔陶瓷的较为类似，目前主要有：添加造孔剂法、原位分解法、凝胶注模法等。合成性能优良的微孔骨料是制备轻量化耐火材料的关键。传统重质耐火材料的骨料较致密，不利于材料的抗热震性能。微孔骨料具有较多微米级气孔，这些气孔除了能够降低材料的热导率，还可以吸收因温度剧变时产生的热应力，对热震引起的微裂纹产生钉扎效应，阻止其扩展；同时这些微气孔可以缓解体积膨胀或收缩，增强体积稳定性，进而改善轻量化耐火材料的抗热震性。但微孔骨料的使用一定程度上降低了耐火材料的抗渣性。而紧密堆积的基质，则有利于改善轻量化耐火材料的抗渣性能。适当的混合粉体的堆积参数不仅能够提高材料的堆积密度，形成均匀的微观结构和适合比例的孔隙，从而吸收材料在烧结过程中产生的体积膨胀，而且还能提高材料的力学性能，平衡材料的抗渣侵蚀与渗透性能。另外，适当改变微孔骨料的气孔特征也能够提高轻量化耐火材料的抗渣性。由于钢水通过耐火材料自身的气孔渗透到内部与之反应[9,10]，所以适当降低显气孔率，提高闭口气孔率有利于抗渣性的改善。同时，根据Washburn理论[11]，降低耐火材料的气孔孔径也可提高其抗渣性。对于轻量化耐火材料的抗渣性，方义能[12]指出微孔骨料的气孔孔径相对显气孔率有更大的影响。此外，气孔也可由空心球骨料引入。采用空心球骨料制备轻量化耐火材料，可以降低其显气孔率，增加闭口气孔率，因此是一种提高轻量化耐火材料抗渣性的有效途径。除了引入轻量骨料的方法，通过密度梯度的结构设计是一种制备轻量化耐火材料的新途径。密度梯度是指在不改变重质耐火材料组成（致密骨料和基质）的条件下，通过强化基质部分的设计，在材料内部获得较高的气孔率，实现轻量化；而在材料外部仍保持致密结构，使材料具有优良的力学性能和抗渣性能。尽管上述途径能够实现耐火材料的可控轻量化，但耐火材料过度轻量化会降低材料的耐火度、力学性能、抗渣性、耐磨性等，使其不宜作为工作层使用。

2 轻量化耐火材料的种类

钢铁冶炼用耐火材料按照成型工艺可分为定形耐火制品和不定形耐火材料。目前，轻量化耐火材料的研究主要集中在二者的制备与性能等方面。根据材料体系，轻量化研究已涉及多种耐火材料，其中，轻量化莫来石、刚玉-莫来石、刚玉-尖晶石、铝镁、铝镁碳、矾土、镁质耐火材料已作为先进钢铁冶炼用窑炉工作衬获得工业应用。

2.1 轻量化刚玉（Al2O3）/莫来石（3Al2O3·2SiO2）/莫来石-刚玉（3Al2O3·2SiO2-Al2O3）耐火材料

刚玉耐火材料具有强度高、硬度大、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损等优异性能[13]。轻量化刚玉耐火材料多采用微孔刚玉骨料制备。Chen等[14]发现，与采用板状刚玉骨料制备的传统刚玉耐火砖相比，以微孔刚玉骨料替代板状刚玉骨料制备的轻量化刚玉耐火砖的常温抗折强度更高，这是由于微孔刚玉骨料与基质界面之间具有更好的结合强度，进而提高了裂纹在骨料内扩展的比例。彭从华等[15]以不同粒度的微孔刚玉为原料，以纸浆废液为结合剂，经1600 ℃×3 h烧结制备出钢包内衬用轻量化刚玉耐火砖。与传统板状刚玉制备的刚玉耐火砖相比，轻量化刚玉耐火砖的抗渣侵蚀性与其相当，但抗渣渗透性略差。进一步提高轻量化刚玉耐火砖抗渣渗透性的研究将围绕减小微孔刚玉气孔孔径，降低显气孔率，减少材料在烧成和使用中因微孔刚玉再烧结而引起的气孔长大和裂纹形成等展开。制备轻量化刚玉耐火材料的另一种途径是采用氧化铝空心球为原料。氧化铝空心球的使用温度高达1600 ℃以上，以氧化铝空心球制备的轻量化耐火材料可作为窑炉内衬直接与钢水、火焰等接触。胡书禾等[16]以氧化铝空心球为主要原料，纯铝酸钙水泥为结合剂，制备出具有良好隔热性能的轻量化刚玉浇注料。材料经1500 ℃×3 h烧结后，基质中形成的板片状CA6（六铝酸钙）微晶相互连接，提高了轻量化刚玉浇注料的力学性能。

莫来石耐火材料具有较低的热膨胀系数，较高的高温强度，以及良好的抗热震性能[17,18,19]。铁水包包衬耐火材料因吸收铁水的热量致使铁水温度下降，目前常采用的解决措施是提高出铁温度，这不但降低了铁水包的使用寿命，而且增加了能耗。曹超等[20]以轻量化莫来石浇注料替代传统的刚玉-碳化硅浇注料（体积密度2.85 g/cm3，热导率（1000 ℃）2.27 W/(m·K)）作为工作层，轻质莫来石砖为安全层，纳米绝热板为保温层，应用于铁水包内衬。使用轻量化莫来石浇注料后，包衬材料的整体重量由700 Kg降低至500 Kg，并且降低了耐火材料对铁水热量的吸收，延缓了铁水的降温，提高了铁水在包内的留存时间。

莫来石-刚玉耐火材料结合了刚玉和莫来石的性能，具有较高的强度、耐火度、荷重软化温度以及良好的抗渣性能，被广泛应用于钢铁冶炼，如高炉的陶瓷杯及自焙炭块陶瓷砌体复合炉缸等。Chen等[21]以刚玉空心球和电熔莫来石等为原料，经1550 ℃×3 h烧结制备出一种强度高、抗热震性好的轻量化刚玉-莫来石耐火砖。刚玉空心球的闭气孔有利于提高轻量化刚玉-莫来石耐火砖的抗热震性和常温抗折强度。同时，莫来石骨料与基质界面处原位形成的大量桥接莫来石晶须也极大地提高了轻量化刚玉-莫来石耐火砖的力学性能和抗热震性能。鄢文等[22]以微孔莫来石-刚玉为骨料，以白刚玉细粉和莫来石细粉为基质，经1500 ℃×3 h烧结制备出保温性能良好的轻量化莫来石-刚玉耐火砖。研究发现，微孔莫来石-刚玉骨料的显气孔率和气孔尺寸对轻量化莫来石-刚玉耐火材料的抗渣性具有显著影响。当采用的微孔莫来石-刚玉骨料的显气孔率为31.6%~41.6%、平均气孔孔径为3.16~3.41 μm时，制备的轻量化莫来石-刚玉耐火砖的抗渣性略低于对应的重质莫来石-刚玉耐火砖；但当采用的微孔莫来石-刚玉骨料的显气孔率为42.3%~44.8%时，制备的轻量化莫来石-刚玉耐火砖的抗渣性显著降低。李纯明等[23]以氧化铝空心球为主要原料，经1460 ℃×35 h烧结制备出显气孔率57.7%、体积密度1.49 g/cm3、常温耐压强度18.7 MPa的微膨胀轻量化刚玉-莫来石耐火砖。该轻量化刚玉-莫来石耐火砖通过原位反应形成莫来石，利用莫来石化反应产生的膨胀抵消了材料烧结过程中产生的收缩，解决了制品长期应用于高温下的收缩问题。

轻量化刚玉/莫来石/莫来石-刚玉耐火材料的性能见表1。

表1 轻量化刚玉/莫来石/莫来石-刚玉耐火材料的性能

2.2 轻量化刚玉-尖晶石（Al2O3-MgO·Al2O3）/铝碳（Al2O3-C）耐火材料

尖晶石是一种热导率低、热膨胀系数小、熔点高、抗碱侵蚀能力强、抗热震性好的材料，与刚玉结合制备的刚玉-尖晶石耐火材料具有良好的抗结构剥落性和抗渣侵蚀性，被广泛用作钢包的工作衬里[24]。Wan等[25]发现微孔刚玉骨料和尖晶石基质界面为反应烧结结合，因此轻量化刚玉-尖晶石耐火材料的力学性能优于轻量化方镁石-尖晶石耐火材料的。Chen等[26]以微孔刚玉-尖晶石骨料为主要原料制备出钢包用轻量化刚玉-尖晶石浇注料。与传统重质刚玉-尖晶石浇注料相比，轻量化刚玉-尖晶石浇注料具有更低的热导率，但抗渣性稍差。鄢文等[27]以微孔刚玉-尖晶石骨料为主要原料制备出轻量化刚玉-尖晶石浇注料。随着镁砂细粉添加量的增加，轻量化刚玉-尖晶石浇注料经1600 ℃×3 h烧结后的气孔率和平均孔径增大，这是由原位尖晶石的生成量及由此产生的体积膨胀增加导致的。镁砂加入量对轻量化刚玉-尖晶石浇注料的抗渣性能产生影响：随着镁砂添加量的增加，浇注料的抗渣侵蚀性增强，但抗渣渗透性降低。尖晶石吸收渣中的锰、铁离子从而降低渗入渣的粘度，以及增大的气孔率和平均孔径是轻量化刚玉-尖晶石浇注料抗渣渗透性随镁砂加入量增加而降低的原因。此外，Chen等[28]先采用发泡法制备出具有核壳结构的微孔刚玉球，再以该微孔刚玉球作为骨料制备出具有较低热导率的轻量化刚玉-尖晶石浇注料。与传统采用板状刚玉骨料制备的重质刚玉-尖晶石浇注料相比，轻量化刚玉-尖晶石浇注料具有更好的抗渣渗透性，更低的体积密度和热导率；但由于轻量化刚玉-尖晶石浇注料比表面积大，与熔渣有反应活性，导致其抗渣侵蚀性略差。采用具有核壳结构的微孔刚玉球为原料可以实现轻量化刚玉-尖晶石浇注料热导率与抗渣性之间的平衡。黄奥等[29]以等径微孔刚玉球和镁铝尖晶石微粉为主要原料，以铝硅凝胶粉为结合剂，制备出一种显气孔率低、闭口气孔率高、平均孔径小、热导率低、抗渣侵蚀能力强的轻量化刚玉-尖晶石浇注料。该浇注料可应用于钢包的包底冲击区、RH管、透气砖系统等使用条件苛刻的部位。

刚玉-尖晶石耐火材料还可通过密度梯度的结构设计实现可控轻量化。Yin等[30]提出基于多孔体中化学气相沉积反应和气相物质传输过程中的固有矛盾来制备具有密度梯度的轻量化耐火材料的设计思路，他们以板状刚玉骨料、电熔镁砂细粉、活性氧化铝微粉和鳞片石墨为原料，以酚醛树脂为结合剂，经1550 ℃×4 h烧结制备出具有密度梯度结构的轻量化刚玉-尖晶石耐火砖。密度梯度的形成机理为：氩气气氛下基质中MgO与石墨在高温下发生碳热还原反应（生成Mg蒸气和CO），通入氧气后，由于耐火材料内部的气相物质扩散（Mg蒸气和O2）与沉积反应（MgO和Al2O3反应生成MgAl2O4）之间的固有矛盾，使刚玉-尖晶石耐火材料表面产生更多的尖晶石，呈现致密结构（图2（a）），而内部形成少量的尖晶石，则呈现疏松结构（图2（b））。该密度梯度结构外部的致密层可使材料展现出良好的抗渣侵蚀性和力学性能，内部的多孔结构可使材料获得较低的体积密度和热导率，从而实现了刚玉-尖晶石耐火砖的轻量化。Xin等[31]在具有密度梯度结构的轻量化刚玉-尖晶石耐火砖的基础上，在基质中添加碳酸锶（SrCO3），发现碳酸锶在高温分解产生的SrO与MgO、Al2O3和MgAl2O4反应生成片状结构的MgSrAl10O17，其在材料内部形成互锁结构，该结构有利于在保持材料密度梯度结构的基础上进一步提高轻量化刚玉-尖晶石耐火砖的力学性能，但一定程度上降低了材料的抗热震性能。为了同时提高具有密度梯度结构的轻量化刚玉-尖晶石耐火砖的力学性能和抗热震性能，辛亚楼[32]首先通过圆盘造粒对氧化铝空心球进行氧化铝微粉包覆处理，再将具有氧化铝包覆层的氧化铝空心球添加到该轻量化刚玉-尖晶石耐火砖中。由于氧化铝涂层以互锁结构形式存在，轻量化刚玉-尖晶石耐火砖的力学性能和抗热震性能均得到有效提升。

图2 具有密度梯度结构的轻量化刚玉-尖晶石耐火砖的微观结构[30]   （a）表面；（b）内部。

在轻量化刚玉-尖晶石耐火材料的基础上，引入碳化硅或膨润土能进一步改善材料的性能。Chen等[33]发现SiC的添加能提高微孔刚玉-尖晶石骨料与基质以及基质中颗粒之间的界面结合强度，这有利于增强轻量化刚玉-尖晶石浇注料的力学性能和抗渣性。在熔渣侵蚀过程中，SiC被氧化成SiO2，减少了微孔骨料的孔面积和孔径以及基质内和骨料与基质之间的部分气孔，从而降低了熔渣对轻量化刚玉-尖晶石浇注料的渗透。Liu等[34]以微孔膨润土骨料、板状刚玉、尖晶石、活性氧化铝为原料，以铝酸钙水泥为结合剂，制备出轻量化膨润土-刚玉-尖晶石浇注料。该轻量化浇注料比重质刚玉-尖晶石浇注料具有更低的热导率和体积密度，更高的显气孔率、常温抗折强度和耐压强度、热态抗折强度，更优的抗热震性和抗渣侵蚀性，但抗渣渗透性略有下降。

铝碳耐火材料具有优异的抗热震性和抗渣性，常被用作控制连铸过程中钢水流动的功能性耐火材料[35]。Chen等[36]以微孔刚玉骨料、微晶石墨和Si粉为主要原料，以酚醛树脂为结合剂，经1400 ℃×3 h烧结制备出轻量化铝碳耐火砖。Si与C通过气-固反应机制在微孔刚玉骨料和基质中原位形成相互交织的SiC晶须使微孔刚玉骨料和基质的界面结构更加紧密，抑制了裂纹沿微孔骨料和基质的界面扩展。因此轻量化铝碳耐火砖的力学性能高于重质铝碳耐火砖的。

轻量化刚玉-尖晶石/铝碳耐火材料的性能见表2。

表2 轻量化刚玉-尖晶石/铝碳耐火材料的性能 

2.3 轻量化铝镁（Al2O3-MgO）/铝镁碳（Al2O3-MgO-C）耐火材料

与其他材质的耐火材料相比，铝镁浇注料具有更佳的抗渣性和耐结构剥落性，是目前钢包普遍使用的内衬材料[37]。钢包内衬材料的损毁形式主要有热剥落、结构剥落、高温渣的熔损。热剥落主要取决于耐火材料的抗热震性，而结构剥落和熔损则与熔渣和内衬材料的相互作用有关。铝镁浇注料不但可以避免对钢水增碳，而且能够通过形成高熔点界面层阻碍钢水与耐火材料相互作用。但重质铝镁浇注料的抗热震性较差，长时间承受高温钢水冲刷及冷热交替循环后，钢包内衬材料表现出明显的热震损伤。另外，重质铝镁浇注料的热导率较大，导致钢水降温较快等问题，对钢水质量及连铸生产均造成负面影响。轻量化铝镁浇注料的开发有望解决重质铝镁浇注料的上述弊端。在抗渣性方面，Liang等[38]发现轻量化铝镁浇注料在动态抗渣试验条件下的侵蚀速率与重质铝镁浇注料相当。Fu等[39]指出钢水对重质铝镁浇注料的侵蚀机制为钢水沿孔隙和裂纹渗透引起的结构剥落。而对于轻量化铝镁浇注料，由于微孔刚玉骨料具有高的比表面积和反应活性，诱导了轻量化铝镁浇注料与钢水之间在微孔处形成FeO-Fe2O3-Al2O3相隔离层，有效阻碍了钢水的进一步渗透和耐火材料的直接溶解。因此，轻量化铝镁浇注料具有良好的抗钢水渗透和侵蚀性。

与传统的重质铝镁浇注料相比，轻量化铝镁浇注料表现出更佳的性能。Fu等[40]以具有低显气孔率（4.1%）、高闭口气孔率（10.1%）和小气孔尺寸（平均孔径0.49 μm）的微孔刚玉骨料替代板状刚玉骨料制备轻量化铝镁浇注料。与采用板状刚玉骨料制备的重质铝镁浇注料相比，轻量化铝镁浇注料具有更好的体积稳定性，更高的显气孔率，更低的体积密度和热导率，更佳的力学性能和抗热震性能。特别地，轻量化铝镁浇注料具有更优的抗渣性能，一方面形成的锥形晶体CA2和CA6交织分布在微孔刚玉骨料周围，防止熔渣对材料进一步侵蚀和渗透；另一方面轻量化铝镁浇注料吸收了炉渣中部分CaO，从而增加了炉渣的粘度，在浇注料的热面形成并粘附一层固化层，可以进一步阻止熔渣的渗透。同时，Fu等[41]发现，CA2和CA6更易在具有更小孔径的微孔刚玉表面达到饱和，快速生成大量晶核。小尺寸的气孔能够促进熔渣与材料接触表面生成大量的第二物相，因此选用具有小孔径的微孔刚玉骨料制备轻量化铝镁浇注料更有利于提高材料的抗渣侵蚀性。杜博[42]分别以微孔刚玉骨料和微孔刚玉-CA6复合骨料替代普通板状刚玉骨料，制备出低热导率的钢包工作衬用轻量化铝镁浇注料。以微孔骨料制备的铝镁浇注料的强度均大于以板状刚玉骨料制备的铝镁浇注料的，这是由于微孔骨料吸水后易将细粉吸附在骨料表面，提高了骨料与基质的结合程度，且微孔骨料的显气孔率高于普通板状刚玉的，可有效缓解尖晶石化和莫来石化造成的膨胀。与微孔刚玉制备的铝镁浇注料相比，微孔刚玉-CA6复合骨料制备的铝镁浇注料的强度更高，这是由于其含有CaO相，高温下可在骨料和基质结合处生成低熔点物，促进烧结，从而提高骨料和基质的结合强度；但以微孔刚玉骨料制备的铝镁浇注料表现出良好的抗渣性能，而以微孔刚玉-CA6复合骨料制备的铝镁浇注料抗渣后表面有明显裂纹。黄奥等[43]以微孔刚玉骨料为主要原料制备出轻量化铝镁浇注料。与传统板状刚玉骨料制备的重质铝镁浇注料相比，轻量化铝镁浇注料具有与其相当的力学性能，但具有更低的体积密度，更佳的体积稳定性、抗热震性、隔热性能和抗渣性能。对于该试验所用特定熔渣，实现轻量化铝镁浇注料具备良好的抗渣性需控制微孔刚玉骨料平均孔径小于0.5 μm，但不同熔渣的性质不同，不同熔渣条件下微孔刚玉骨料平均孔径的临界值需结合熔渣和耐火材料性质进一步研究。

通过基质紧密化的优化设计可进一步提高轻量化铝镁浇注料的性能。顾华志等[44]以微孔刚玉骨料和电熔镁砂细粉为主要原料，以铝硅凝胶粉为结合剂，通过基质堆积密度预测模型设计基质紧密化，制备出比重质铝镁浇注料抗热震性好、热导率低、抗渣性能好、高温体积稳定性好的轻量化铝镁浇注料。基质的紧密堆积且基质与骨料良好的结合能进一步提高轻量化镁铝浇注料的抗渣性。将研制的轻量化铝镁浇注料应用于武钢和马钢炼钢厂作为钢包工作层，材料平均侵蚀速率小，使用寿命优于现行材料。Zou等[45,46,47]以微孔刚玉骨料、电熔镁砂和MgO微粉为主要原料，以铝硅凝胶粉为结合剂，通过建立基质颗粒紧密堆积模型，对基质的粒径分布进行设计，制备出基质紧密化的轻量化铝镁浇注料。在轻量化镁铝浇注料基质优化设计的基础上，Zou等[48]研究了微孔刚玉骨料对轻量化铝镁浇注料抗渣性能的影响，发现骨料的晶粒大小、球形度、显气孔率等参数决定着骨料与熔渣的接触界面面积和骨料在渣中溶解的扩散边界层厚度，从而影响着骨料在熔渣中的溶解速率。当骨料具有大的晶粒尺寸和堆叠的鳞片状晶粒时，骨料与熔渣界面上形成厚的扩散界面层，骨料在熔渣中的溶解速率慢，轻量化铝镁浇注料表现出最好的抗渣侵蚀性；而当骨料具有小且均匀的孔径时，轻量化铝镁浇注料则具有最佳的抗渣渗透性。

此外，超微粉的引入在实现耐火材料轻量化的同时，能避免材料力学性能下降，是一种制备具有良好力学性能轻量化耐火材料的策略。王志强等[49]以微孔刚玉骨料为主要原料，以纯铝酸钙水泥为结合剂，再引入MgO超微粉（5.4 μm）和Al(OH)3超微粉（8.2 μm），制备出一种满足炼钢使用要求的钢包工作衬用轻量化铝镁浇注料。微孔刚玉骨料可增加耐火材料中微气孔的数量；超微粉的引入，一方面Al(OH)3超微粉在高温下原位分解产生微孔，另一方面MgO超微粉与刚玉细粉反应生成微细尖晶石使材料进一步微孔化，从而提高了耐火材料基质中微气孔的数量。大量微气孔的存在使耐火材料轻量化，且降低了材料的热导率，起到隔热的作用。同时，两种超微粉在高温下促进烧结的作用弥补了微孔骨料产生的强度下降，因此提高了材料经1600 ℃烧结后的常温耐压强度。在抗热震性方面，除了微孔产生的积极效应，超微粉的烧结作用提高了浇注料的强度，因而提高了材料抵抗热应力的能力。在抗渣性方面，不仅微孔刚玉的微气孔能提高材料的抗渣渗透性，而且两种超微粉增加了基质的微气孔数量，降低了材料的显气孔率，因此提高了轻量化铝镁浇注料的抗渣性。

采用氧化铝空心球为骨料也可制备出性能优良的轻量化铝镁耐火材料。研究指出[50]，以20 vol%氧化铝空心球为主要原料制备的轻量化铝镁浇注料具有良好的施工性、力学性能、抗热震性能，但抗渣性稍有降低。将研制的轻量化镁铝浇注料作为工作衬应用于钢包，结果表明，内衬背面温度可降低107 ℃，炉皮温度降低33 ℃，材料有-1.46 ℃/h抑制钢水温度下降的效果。王晗等[51]以氧化铝空心球为骨料，Al2O3微粉、MgO细粉为基质，纸浆废液为结合剂，经1700 ℃烧结制备出轻量化铝镁耐火砖。材料具有优良的抗热震性，抗热震性是未使用氧化铝空心球的传统氧化铝-氧化镁定形耐火制品的3倍。将研制的轻量化铝镁耐火砖应用于1700 ℃的高温间歇式窑炉，使用24次后，材料效果良好。

虽然轻量化铝镁浇注料具有良好的抗渣性，但值得注意的是其与不同组分体系熔渣接触时表现的抗渣侵蚀性能不尽相同。邹阳等[52]以微孔刚玉骨料、电熔镁砂和MgO微粉为主要原料，以纯铝酸钙水泥为结合剂，制备出轻量化铝镁浇注料，并研究了Al2O3-CaO、Al2O3-CaO-SiO2、Al2O3-CaO-SiO2-MgO三种熔渣组分体系对轻量化镁铝浇注料的侵蚀行为，发现Al2O3-CaO渣对轻量化铝镁浇注料的侵蚀程度最严重，对骨料和基质均产生严重侵蚀；Al2O3-CaO-SiO2渣次之，主要侵蚀浇注料的基质；Al2O3-CaO-SiO2-MgO渣对轻量化铝镁浇注料的侵蚀程度最小，基质整体致密。不同组分体系熔渣对轻量化铝镁浇注料侵蚀程度的不同主要取决于与浇注料反应时生成的液相量以及是否能快速生成CA6隔离层。熔渣对轻量化铝镁浇注料的侵蚀行为还与环境气氛相关。在实际的冶炼过程中，不同的炉外精炼工艺伴随有吹氩、吹氧搅拌以及真空等环境。Zou等[53]以微孔刚玉骨料、电熔镁砂、白刚玉细粉、α-Al2O3微粉为原料，以纯铝酸钙水泥为结合剂，制备出轻量化铝镁浇注料，基于感应炉动态抗渣实验研究了弱氧化气氛（P（O2）=0.21 atm）和Ar气氛（P（Ar）=1.0 atm）下转炉终渣对该轻量化镁铝浇注料的侵蚀。结果表明，轻量化铝镁浇注料在弱氧化气氛下被熔渣侵蚀的程度更大，而在Ar气氛下熔渣渗透面积更大。环境气氛能够影响熔渣中变价离子的价态和存在形式：在弱氧化气氛下，熔渣中的Fe和Mn以+2和/或+3价离子的形式存在，在侵蚀过程中被固溶到尖晶石中形成MnFe2O4和MgAl2O4固溶体，由于熔渣中Fe和Mn离子被大量消耗，导致熔渣粘度增加，因此渗透能力下降；在Ar气氛下，熔渣中的Fe离子被还原成单质Fe从渣中脱离，熔渣的液相量相应减小，因此减小了对浇注料的侵蚀。

铝镁碳耐火材料是在高性能镁碳和铝碳耐火材料的基础上发展起来的。这种由碱性和酸碱两性两种耐火氧化物组成的铝镁碳耐火材料不仅具有良好的热学和力学性能，还具有优异的化学和热力学稳定性。冨谷尚士等[54]以微孔刚玉骨料为主要原料，制备出钢包内衬用轻量化Al2O3-MgO-C砖。与采用致密电熔刚玉骨料制备的Al2O3-MgO-C砖相比，抗渣侵蚀性无明显差别，但轻量化Al2O3-MgO-C砖的热导率（300~600 ℃）和重量都降低了约10%。将研制的轻量化Al2O3-MgO-C砖应用于钢包内衬，实际使用表明，钢水不易降温，且降低了炉壳的热损失。

轻量化铝镁耐火材料的性能见表3。

表3 轻量化铝镁耐火材料的性能 

2.4 轻量化矾土基耐火材料

矾土基耐火材料具有耐火度高、耐磨性好、强度大等特点[55]。方义能等[56]以微孔矾土骨料为主要原料，以铝酸钙水泥为结合剂，制备出低热导率的轻量矾土基浇注料。减小微孔矾土骨料的孔径有利于提高轻量化矾土基浇注料的力学性能，增强体积稳定性。付绿平等[57]以轻量矾土熟料颗粒及细粉为主要原料，以纯铝酸钙水泥为结合剂，制备出抗热震性好、抗熔渣侵蚀能力强的轻量化矾土基浇注料。由于轻量矾土中原位生成的SiC晶须能阻碍熔渣的侵蚀和渗透，因此可提高轻量化矾土基浇注料的抗渣性。该浇注料经过5次热震（1100 ℃⇌水冷）循环后的抗折强度保持率为45%。将研制的轻量化矾土基浇注料应用于200 t精炼钢包，使用寿命可达200次。张寒等[58]以高铝矾土、γ-Al2O3、硅溶胶、二氧化钛溶胶、云母粉、ρ-Al2O3为原料，预先合成球形料，并利用球形料的堆积造孔，制备出一种轻量化耐磨矾土基浇注料。该材料的体积密度较低（1.8~2.3 g/cm3）、热导率较小（3.3~3.8 W/(m·K)）、耐磨性好（磨损量4.0~4.5 cm3），兼具重量轻、隔热保温和耐磨损的特性，解决了以氧化铝空心球为主要原料制备的轻量化耐磨浇注料的成本较高、热导率相对较大的弊端。

轻量化矾土基耐火材料的性能见表4。

表4 轻量化矾土基耐火材料的性能 

2.5 轻量化莫来石-塞隆（3Al2O3·2SiO2-SiAlON）/莫来石-碳化硅

（3Al2O3·2SiO2-SiC）/矾土-碳化硅耐火材料

SiAlON具有强度高、硬度大、耐高温、耐磨损、抗腐蚀等特性；SiC具有低密度、高熔点、高硬度、耐磨损等特征[59,60,61]。将SiAlON或SiC引入至轻量化莫来石或轻量化矾土耐火材料中，可以提高莫来石或矾土耐火材料由于轻量化产生的力学性能或耐磨性能下降等问题。

戴大伟[62]以高岭土、活性α-Al2O3微粉、Si粉、Al粉和炭黑为原料，在N2气氛下经1600 ℃×3 h烧结，通过原位反应制备出一种高强、高耐磨、低热导率的轻量化莫来石-塞隆耐火砖。特别地，材料的常温质量磨损率仅为1.7%。材料内部的微孔分布均匀，平均孔径1.4 μm。原位生成的长条状SiAlON相互交叉，形成类三角形结构，提高了材料的力学性能和耐磨性能。因此，添加高强高硬的SiAlON可在实现莫来石耐火材料轻量化的同时保证其力学性能和耐磨性能不降低。

刘燕[63]以微孔莫来石骨料替代部分均化矾土骨料，经1500 ℃×3 h烧结制备出轻量化莫来石-碳化硅耐火砖。该材料与以均化矾土骨料制备的莫来石-碳化硅耐火砖相比，虽然体积密度下降，显气孔率增加，耐压强度相差不大，但抗K蒸气侵蚀性下降。这主要是由于K蒸气易沿微孔莫来石骨料的开口气孔进入材料内部并与材料发生反应形成膨胀性KAlSiO4，破坏了微孔莫来石骨料的结构，降低了材料的强度，宏观上表现为抗碱侵蚀性较差。为了提高该轻量化莫来石-碳化硅耐火材料的抗碱侵蚀性，刘燕等[64]首先在微孔莫来石骨料上涂覆玻璃陶瓷涂层，然后以涂覆玻璃陶瓷涂层的微孔莫来石骨料、均化矾土骨料和SiC为主要原料，制备出具有更高耐压强度、优良抗碱侵蚀性的轻量化莫来石-碳化硅耐火砖。微孔莫来石骨料表面涂覆的玻璃陶瓷涂层在高温下生成液相，能够促进材料烧结，使骨料与基质紧密结合，宏观上表现为耐压强度增大。同时液相封闭了微孔莫来石表面部分开口气孔，阻碍了K蒸气渗入材料内部；玻璃陶瓷涂层还可以吸收部分K蒸气并形成液相，进一步保护材料免受碱侵蚀，宏观上体现为抗碱侵蚀性的改善。对于耐火材料的断裂行为而言，致密耐火材料的断裂通常出现在骨料和基质之间的界面上；而轻量化耐火材料则常以穿晶断裂为主。为了防止轻量化莫来石-碳化硅耐火材料断裂失效，Wan等[65]在微孔莫来石骨料上制备玻璃陶瓷涂层以期提高微孔莫来石骨料和基质之间的结合强度，进而提高轻量化莫来石-碳化硅耐火砖的力学性能。采用未制备玻璃陶瓷涂层的微孔莫来石为原料制备的轻量化莫来石-碳化硅耐火砖中，虽然微孔骨料的优先断裂能够提高材料的断裂韧性，但降低了材料的耐压强度；而采用玻璃陶瓷涂层包裹的微孔莫来石为原料可以在高温下增加微孔骨料和基质界面处形成的液相量，进而强化骨料和基质的界面强度，不仅提高了材料的抗折强度和耐压强度，而且也减少了骨料与基质之间的裂纹，从而提高了断裂韧性。

Ren等[66]以矾土骨料及细粉、微孔莫来石骨料和SiC骨料为主要原料，Al(H2PO4)3为结合剂，经1500 ℃×3 h烧结制备出具有低热导率的轻量化矾土-碳化硅耐火砖。虽然该轻量化矾土-碳化硅耐火砖具有良好的力学和热学性能，但由于微孔莫来石骨料多孔的结构，导致该耐火砖的抗碱侵蚀性较差。为了提高其抗碱侵蚀性，Ren等[66]先将微孔莫来石骨料进行包裹硅溶胶处理，再以包裹硅溶胶的微孔莫来石骨料等量替代微孔莫来石骨料制备轻量化矾土-碳化硅耐火砖。采用包裹硅溶胶的微孔莫来石骨料后，硅溶胶在高温下可与K蒸气反应，阻碍了其向微孔骨料中的扩散，有效提高了轻量化矾土-碳化硅耐火砖的抗碱侵蚀性，并且可进一步降低材料的热导率，提高材料的力学性能。

轻量化莫来石-塞隆/莫来石-碳化硅/矾土-碳化硅耐火材料的性能见表5。

表5 轻量化莫来石-塞隆/莫来石-碳化硅/矾土-碳化硅耐火材料的性能

2.6 轻量化镁质耐火材料

镁质耐火材料具有良好的抗碱性炉渣侵蚀能力，可用于炼钢炉衬和混铁炉衬。闫学强等[67]指出不含碳的轻量化镁质耐火材料与钢水的界面处能够形成连续的镁铝尖晶石层，降低了耐火材料的侵蚀和对钢水的污染。因此，不含碳的轻量化镁质耐火材料不会向钢水增碳，对钢水的二次污染小，还能够吸附钢水中氧化铝夹杂，有利于超低碳洁净钢的制备。Wu等[68]以微孔氧化镁骨料和氧化镁细粉为原料，纸浆废液为结合剂，经1400 ℃×3 h烧结制备出轻量化MgO耐火砖。与采用传统氧化镁骨料制备的重质MgO耐火砖相比，轻量化MgO耐火砖中骨料和基质之间的结合程度更好，断裂模式由沿晶断裂转变为穿晶断裂（图3），因此提高了轻量化MgO耐火砖的力学性能。Jie等[69]采用直接发泡法制备出一种热导率（1000 ℃）低于重质镁质耐火浇注料47.8%的轻量化镁质耐火浇注料。基质中闭气孔的形成能明显提高材料的高温隔热性能，且基本不影响材料的抗渣性能。抗渣机理表明，轻量化镁质浇注料中除了沿晶渗透外，熔渣的堆积以及相邻气孔间的互通是熔渣传质的主要途径。此外，镁质耐火材料还可通过多级孔技术实现材料的可控轻量化。侯庆冬[70]以具有微纳米双孔结构的氧化镁为主要原料制备出一种适用于碱性环境下的无碳轻量化镁质耐火材料，材料的传热量明显低于以仅具有微米孔结构的氧化镁为主要原料制备的轻量化镁质耐火材料。将研制的具有微纳米双孔结构的轻量化镁质耐火材料应用于钢厂的中间包内衬，实际使用表明该材料不仅能够降低包体或炉体的热量损失，而且可以使钢水温度分布更加均匀，保持钢水温度的稳定。

MgO-C耐火材料虽然对钢水增氧较少，但增碳较严重，不适合超低碳钢C含量的控制要求。而低碳MgO-C砖则具有强度高，耐钢水冲刷性强，对钢水增碳少等特性。彭从华等[71]以微孔富镁尖晶石骨料和电熔镁砂为主要原料，以酚醛树脂为结合剂，经1500 ℃×3 h烧结制备出一种抗热震性好的轻量化低碳MgO-C砖。与以电熔镁砂骨料制备的重质低碳MgO-C砖相比，轻量化MgO-C砖的体积密度更低，显气孔率更大，热膨胀率更小，强度更高，这是由于微孔富镁尖晶石比电熔镁砂具有更低的体积密度，更易烧结，且微孔富镁尖晶石高温下的烧结收缩可抵消部分膨胀。此外，微孔富镁尖晶石的成分为方镁石和尖晶石，晶粒尺寸较电熔镁砂小，晶界较多，增加了裂纹扩展的路径；同时，裂纹能够被微孔富镁尖晶石骨料中的气孔阻止或捕获，因此轻量化MgO-C砖具有更佳的抗热震性。但一方面由于轻量化MgO-C砖的显气孔率略高，另一方面微孔骨料中的尖晶石易被高碱度渣中的CaO和SiO2分解，导致轻量化MgO-C砖的抗渣侵蚀性有所下降。欲提高轻量化MgO-C砖的抗渣侵蚀性，应进一步降低微孔骨料的孔径尺寸。

方镁石-尖晶石材料的主晶相为MgO，能较好程度地抵抗熔渣的化学侵蚀[72]。Yan等[73]以微孔方镁石-尖晶石骨料为主要原料，以铝酸钙水泥为结合剂，制备出轻量化方镁石-尖晶石浇注料。与重质方镁石-尖晶石浇注料相比，轻量化方镁石-尖晶石浇注料具有更低的热导率、体积密度；微孔方镁石-尖晶石骨料与基质更好的结合强度使轻量化方镁石-尖晶石浇注料获得更优的常温抗折强度和抗热震性能；同时，微孔方镁石-尖晶石骨料通过吸收基质中渗透的部分熔渣，防止进一步渗透，从而保护基质免受熔渣侵蚀，使轻量化方镁石-尖晶石浇注料具有更佳的抗渣性。Peng等[74]则以微孔MgO骨料为主要原料制备出轻量化方镁石-尖晶石耐火砖。与采用烧结MgO骨料制备的重质方镁石-尖晶石耐火砖相比，轻量化方镁石-尖晶石耐火砖具有更高的显气孔率，更优的力学性能、抗热震性和抗渣性。

图3 两种MgO耐火砖中裂纹的扩展[68]  （a）重质MgO耐火砖，（b）轻量化MgO耐火砖。表6 轻量化镁质耐火材料的性能 

3 结论与展望

先进钢铁冶炼用耐火材料轻量化的研究是未来耐火材料发展的必然趋势。不同于传统的轻质隔热耐火材料，轻量化耐火材料可直接用于工作面，能够实现高效长寿和节能降耗一体化，对钢铁冶金行业产生巨大的经济效益和社会效益。轻量化耐火材料正向低热导率、高强度、高耐侵蚀性、高耐磨的方向发展。未来轻量化耐火材料的研究主要体现在以下几个方面：

（1）轻量化耐火材料使用的微孔骨料常常采用造孔剂制备，但利用造孔剂制备微孔骨料存在以下问题：①气孔结构难以控制，孔径大，且气孔率过高；②添加的有机烧失物在烧结过程中产生大量CO2和有毒有害气体，造成环境污染；③气体的排出导致在微孔骨料上形成的多为开口气孔，一方面不利于轻量化耐火材料的抗渣侵蚀性，另一方面当其被用于制备轻量化耐火浇注料时会造成过高的吸水率。因此，环境友好且闭口气孔率高、气孔分布更均匀、孔径更小的微孔骨料的制备技术尚需深入探索。

（2）轻量化耐火材料的制备技术目前仍以引入轻量骨料为主，密度梯度的结构设计和多级孔技术则为耐火材料的轻量化开辟了新的途径和思路，也为轻量化耐火材料在先进钢铁冶炼中的工业化应用提供了理论基础。未来，轻量化耐火材料新的制备技术仍有待开发。

（3）目前轻量化耐火材料的研究主要集中在刚玉、莫来石、莫来石-刚玉、刚玉-尖晶石、铝镁、莫来石-碳化硅、镁质等材料体系，其他材料体系的耐火材料轻量化的研究鲜有报道。因此，轻量化耐火材料的种类需要从广度上进一步拓展。

（4）轻量化耐火材料的性能因使用环境不同而改变。如轻量化耐火材料的抗渣性除了与自身的成分和显微结构有关外，还受温度、气氛、钢水/渣的流动等环境因素影响。轻量化耐火材料与不同钢种、渣系的反应机制也不尽相同。轻量化耐火材料在不同使用环境中的损毁机理还需从深度上深化研究。（来源:中国知网）

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