新型耐材在硅铁冶炼炉内衬的性能优化与寿命延长研究

引言

硅铁冶炼在冶金领域中扮演着关键角色，其产物在钢铁脱氧、合金制造及铸造等行业得到广泛应用，对国民经济的贡献显著。硅铁冶炼炉的内衬材料，作为核心部件，需承受高温及硅铁熔体的侵蚀，其性能和耐用性直接影响生产效率和产品质量。传统炉衬材料，如高铝砖和黏土砖，在高温（ 1600-2000^∘C ）和硅铁熔体侵蚀等恶劣环境下易受损，导致炉衬寿命短（3-6 个月），频繁的维修增加了成本并影响了生产连续性。因此，研究和应用新型耐火材料，以提升炉衬性能和延长其使用寿命，对于降低成本和提高生产效率至关重要。本文针对硅铁冶炼炉内衬的挑战和工作条件，探讨新型耐火材料的性能改进和寿命延长方法，为行业提供理论指导。

一、硅铁冶炼炉内衬的工作环境与损毁机制

（一）内衬工作环境的特殊性

硅铁冶炼炉内衬处于极端复杂的服役环境中，其工作条件具有多因素耦合的特点。从温度角度看，炉内反应区温度可达 1800-2200^∘C ，内衬材料需长期承受高温作用，且温度分布极不均匀，炉底、炉墙及炉口等不同部位温差可达 500-800^∘C ，形成强烈的热梯度。从化学环境来看，冶炼过程中产生的 SiO₂ 、FeO、CaO 等熔融物与内衬材料发生持续化学反应，其中硅铁熔体中的硅元素易与耐火材料中的 Al₂O₃ 、MgO 等成分生成低熔点化合物，加剧内衬侵蚀。

（二）内衬材料的主要损毁机制

硅铁冶炼炉内衬的损毁是多种因素共同作用的结果，其核心机制可归纳为三类。一是高温熔融侵蚀机制，高温下硅铁熔体与耐火材料表面发生化学反应，生成的低熔点硅酸盐液相不断渗透到材料内部，破坏原有晶体结构，导致材料强度下降并逐渐剥落。二是热冲击损伤机制，炉内温度的频繁波动使内衬材料承受反复的热胀冷缩应力，当应力超过材料的抗热震强度时，材料内部产生微裂纹，裂纹扩展后引发结构整体性破坏。三是机械应力破坏机制，炉料的重力压迫、熔融物的流动冲刷以及炉体结构变形产生的机械应力，持续作用于内衬表面，导致材料表层磨损、局部剥落，最终形成空洞或凹陷。

二、新型耐火材料的选型与性能优化方向

（一）新型耐火材料的选型原则

针对硅铁冶炼炉内衬的工作特性，新型耐火材料的选型需遵循 “三高两强” 原则。“三高” 即高耐火度（ ≥1800^∘C ）、高致密度（体积密度 :≥3.0g/c m³ ）、高常温耐压强度（ ≥150MPa ），以确保材料在高温高压环境下的结构稳定性；“两强” 即强抗化学侵蚀性与强抗热震性（热震稳定性 次），以抵御熔融物侵蚀与温度波动带来的损伤。目前，镁铝尖晶石质、刚玉 - 莫来石质及碳化硅复合耐火材料成为主流选型方向，其中镁铝尖晶石质材料因具有优异的抗渣侵蚀性和高温稳定性，在炉墙、炉底等关键部位应用潜力显著；碳化硅复合材料则凭借高导热性和抗热震性，适用于温度变化剧烈的炉口区域。

（二）性能优化的核心方向

新型耐火材料的性能优化需围绕内衬损毁的关键环节，从材料成分、显微结构及界面特性三个维度展开。在成分优化方面，通过调整 Al₂O₃ 与MgO 的配比（如 Al₂O₃ 含量控制在 60%-70% ），可提高尖晶石相的生成量，增强材料的抗渣侵蚀能力；引入适量 ZrO₂ （ 3%-5% ）作为稳定剂，可抑制高温下晶体相变引起的体积膨胀，改善抗热震性。在显微结构优化方面，通过细化晶粒尺寸（ ≤5μm⋅ ）、减少气孔率（开口气孔率 ≤1.5% ），可降低熔融物的渗透速率，提高材料的致密度与强度。在界面特性优化方面，采用梯度复合技术构建材料界面过渡层，减少不同材质间的热膨胀系数差异（控制在 1.0×10^-6/^∘C 以内），可降低界面应力，避免层间剥落。

三、新型耐材性能优化的关键技术路径

（一）原料配比与复合改性技术

原料配比优化是性能提升的基础，通过正交实验确定最佳成分组合可显著改善材料性能。例如，在镁铝尖晶石材料中，当 Al₂O₃ 与 MgO 质量比为 7:3 时，尖晶石相生成最为充分，抗渣侵蚀性较传统配比提升 20% 以上。复合改性技术则通过引入功能性添加剂实现性能突破，纳米级 SiO₂ 粉体（添加量 1%-3% ）的引入可促进材料烧结，细化晶粒并填充气孔；碳纤维（长度 5.10mm ，添加量 2%-4% ）的掺入可通过 “桥接作用” 抑制裂纹扩展，使材料抗热震性提升 30% 。此外，采用电熔刚玉、高纯镁砂等优质原料（纯度 295% ）替代传统原料，可减少杂质对材料高温性能的不利影响，进一步提高材料的稳定性。

（二）制备工艺的改进与创新

制备工艺的改进是实现性能优化的关键保障，需重点优化成型与烧成环节。在成型工艺方面，采用等静压成型技术（成型压力 ≥150MPa ）替代传统机压成型，可使坯体密度分布更均匀，减少内部缺陷；对于复杂形状的内衬构件，凝胶注模成型技术可实现近净尺寸成型，降低加工损耗。在烧成工艺方面，采用阶梯式升温制度（低温段 500-800^∘C 保温 2h，高温段1600-1700^∘C 保温 4h），可促进材料充分烧结，避免因升温过快导致的结构疏松；引入气氛烧成技术（如氮气保护），可抑制碳化硅等材料在高温下的氧化，提高材料的抗氧化性。

结语

研究新型耐火材料在硅铁冶炼炉内衬中的应用，旨在解决传统冶炼工艺中存在的内衬寿命短和生产效率低的问题。文章深入分析了硅铁冶炼炉内衬的工作条件和损坏机理，确定了新型材料的选取标准和性能改进的方向。文章提出了通过优化原料配比、改进制备工艺和结构设计协同的方式来提升材料性能，并建立了评价内衬寿命延长效果的系统。研究显示，经过科学的性能改进，新型耐火材料能够增强内衬的耐侵蚀性、耐热震性和结构强度，从而显著提高其使用寿命，为硅铁冶炼行业的成本降低和环保发展提供了重要支撑。未来研究可融入智能化监测技术，实现内衬状况的实时监控和精准维护，推动硅铁冶炼炉内衬技术的进步。

参考文献

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