耐火材料對潔凈鋼的生產(chǎn)有著重要影響，特別是在鐵水預(yù)處理、二次精煉、中間包以及連鑄過程中。這是因?yàn)樵谝睙掃^程中，耐火材料在高溫鋼水中的溶解增加鋼中相關(guān)元素的含量，或與熔鋼中的元素特別是非鐵元素反應(yīng)形成非金屬夾雜，以及耐火材料的熔損造成的非金屬夾雜都會對鋼水潔凈度造成一定影響。耐火材料對鋼水的污染不僅會影響鋼水成分，而且會對鋼材質(zhì)量性能造成重要影響。所以潔凈鋼冶煉用耐火材料不僅要有較高的抗熱沖擊性、抗侵蝕性，更重要的是對鋼水的無污染或低污染性，甚至對鋼液具有凈化及減少無機(jī)非金屬夾雜的作用。

1 潔凈鋼生產(chǎn)用耐火材料的選擇依據(jù)

　　從熱力學(xué)上講，高溫氧化物與鋼水存在一平衡氧含量（氧勢），耐火材料在熔鋼中平衡氧含量的大小對鋼水潔凈度有重要影響，因?yàn)檠鹾扛咭自斐射撍鲅鯊亩纬煞墙饘賷A雜物。通過計(jì)算不同氧化物對鋼水增氧的趨勢，認(rèn)為耐火氧化物和復(fù)合耐火氧化物對鋼水的增氧作用由大到小的順序分別為Cr2O3>SiO2>Al2O3>MgO>ZrO2>CaO和MgO.Cr2O3>ZrO2.SiO2> 3Al2O3.2SiO2>2MgO.SiO2>2CaO.SiO2>MgO.Al2O3>CaO.Al2O3。所以在冶煉氧含量低的鋼種時(shí)，適宜選用氧化鎂質(zhì)、氧化鋯質(zhì)、氧化鈣質(zhì)或者尖晶石質(zhì)等耐火材料。鋼水增硫與所使用的耐火氧化物及復(fù)合氧化物在鋼水中的平衡氧勢高低有關(guān)，它與耐火氧化物在熔鋼中氧勢大小具有類似的規(guī)律，堿性氧化物耐火材料有利于鋼水的脫硫。鋼水脫磷也與堿性耐火材料密切相關(guān)，特別是與CaO和MgO。一般的耐火材料中磷含量很少，而采用磷酸鹽作為結(jié)合劑MgO質(zhì)耐火材料中要含一定量CaO，可以抑制向鋼水中增磷。另外，在澆鑄對磷含量要求較低的鋼種時(shí)，中間包工作襯最好不要采用磷酸鹽作結(jié)合劑的耐火材料。在冶煉過程中，耐火材料中的水分或結(jié)合劑會造成鋼水增氫的危險(xiǎn)，造成氫脆現(xiàn)象。1600℃時(shí)碳在鐵液中的溶解度為5.41%，在冶煉低碳鋼或超低碳鋼時(shí)含碳耐火材料中的碳極易溶解到鋼液中，造成鋼水的增碳，所以冶煉這類鋼種時(shí)要特別注意含碳耐火材料的使用。

　　耐火材料的種類也會對鋼水中夾雜物的種類和形態(tài)產(chǎn)生一定的影響，使用鋁鎂(碳)質(zhì)耐火材料時(shí)主要是硅鋁酸鹽夾雜，MgO質(zhì)耐火材料時(shí)的夾雜物是鎂橄欖石復(fù)合氧化物，鎂鈣(碳)質(zhì)耐火材料夾雜物基體為CaO-Al2O3-SiO2-FeO系。通過調(diào)整冶金容器工作襯所用的耐火材料，可改變鋼水中夾雜物的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，有利于潔凈鋼的冶煉。用不同組成的鎂鋁質(zhì)澆注料作為爐襯對82B鋼進(jìn)行精煉，研究了不同的爐襯對鋼中夾雜的影響，結(jié)果表明：采用富鋁的鎂鋁質(zhì)爐襯精煉后的鋼中夾雜物是以SiO2為主的SiO2-Al2O3系夾雜，夾雜物尺寸大、硬度高；采用富鎂的鎂鋁質(zhì)爐襯精煉后，鋼中夾雜是以鎂鈣的硅鋁酸鹽為主的SiO2-MgO-CaO系復(fù)合夾雜，夾雜尺寸小、硬度低、塑性好。相比之下，富鎂的鎂鋁質(zhì)爐襯有利于潔凈鋼的冶煉。

2 潔凈鋼用耐火材料

2.1 精煉用耐火材料

　　LF精煉是煉鋼工業(yè)中使用較多的爐外精煉設(shè)備之一，它不僅要求耐火材料的使用壽命長，而且還要對鋼水有凈化作用，至少不對鋼水產(chǎn)生污染。目前，能夠滿足這種要求的耐火材料只有鎂鈣質(zhì)耐火材料，包括燒成鎂鈣磚和不燒鎂鈣磚。鎂鈣質(zhì)耐火材料具有優(yōu)良耐高溫性能和抗?fàn)t渣侵蝕性能，其中的游離CaO能夠吸附鋼水中的〔S〕，〔P〕等非金屬夾雜物和在降低其尺寸(30μm～350μm)方面有明顯效果，且夾雜物的硬度很小，有凈化鋼水的功能，這種耐火材料也廣泛應(yīng)用于不銹鋼冶煉的AOD爐中。但是MgO-CaO材料也存在易水化、難燒結(jié)、抗剝落性差等缺點(diǎn)，制備性能優(yōu)良的MgO-CaO耐火材料，克服這些缺點(diǎn)勢在必行。開發(fā)高檔MgO-CaO耐火材料、干式MgO-CaO搗打料、MgO-CaO澆注料等是今后的一個(gè)發(fā)展方向。研究表明，使用含碳鋁鎂尖晶石磚的脫硫率最高，有利于深脫硫，鎂碳磚次之，氧化鎂材料最差。但爐襯使用含碳鋁鎂尖晶石磚或鎂碳磚，將導(dǎo)致鋼液增碳，不利于低碳鋼生產(chǎn)。在LF精煉超低碳鋼時(shí)，鋼包襯材質(zhì)應(yīng)該考慮使用無碳耐火材料。由于不污染環(huán)境、對鋼液的污染性小、高溫穩(wěn)定性好、與熔渣或金屬熔體的潤濕性較差，MgAlON結(jié)合的堿性耐火材料可能適合于精煉爐用，但這種材料由于成本或制備的問題還未應(yīng)用于實(shí)踐。在真空處理技術(shù)中RH生產(chǎn)效率最高、綜合能力最強(qiáng)，是我國鋼廠近幾年和今后建設(shè)的重點(diǎn)。RH上部槽一般為鎂鉻耐火材料，但其有環(huán)保問題，開發(fā)無鉻耐火材料如鎂鋯磚、鎂鈣質(zhì)噴涂料等是RH用耐火材料的一個(gè)方向。

2.2 中包用耐火材料

　　精煉處理后的鋼水具有較高的純凈度，連鑄工序控制的重點(diǎn)是進(jìn)一步提高或保持鋼水的純凈度。因此，必須實(shí)行從鋼包—中包—結(jié)晶器的全程保護(hù)澆注，避免鋼水的二次氧化與污染，減少夾雜物的產(chǎn)生。中包包襯目前有涂料和干式料，尤其是MgO-CaO涂料，其CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)到40%以上，該涂料在使用過程中能起到凈化鋼水的作用。為提高使用壽命，干式料襯是當(dāng)前鋼廠多采用的中間包工作襯型，主要材質(zhì)是MgO質(zhì)或MgO-CaO質(zhì)，進(jìn)一步研究的方向是可以凈化鋼液、去除非金屬夾雜的干式料。根據(jù)對中間包內(nèi)鋼水運(yùn)動狀態(tài)等冶金原理的研究，在中間包內(nèi)增設(shè)擋渣墻、堰壩、緩沖器、氣幕等組合結(jié)構(gòu)，以控制鋼水的流動狀態(tài)，使鋼水流動的軌跡平穩(wěn)，有利于夾雜物上浮并被有效清除，這些更加有利于潔凈鋼的生產(chǎn)。陶瓷過濾器也是超潔凈鋼所需的功能耐火材料，材質(zhì)上可分為Al2O3-SiO2、Al2O3-ZrO2、MgO-ZrO2、CaO、Al2O3、ZrO2等系列，用于大生產(chǎn)的一般為CaO或Al2O3陶瓷過濾器。

2.3 控流元件用耐火材料

　　我國鋼鐵工業(yè)連鑄滑板普遍使用Al2O3-C和Al2O3-ZrO2-C材料，其C含量一般為8%～12%，在澆鑄潔凈鋼時(shí)會對鋼水有增碳的問題，使用低碳、超低碳或無碳的滑板材料是一個(gè)較好的選擇。連鑄“三大件”是實(shí)現(xiàn)全程保護(hù)澆注的關(guān)鍵性耐火材料，對防止鋼液二次氧化，消除非金屬夾雜，控制澆注穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，據(jù)報(bào)道通過長水口并輔以氬封技術(shù)，增氮量可小至1ppm～2ppm。連鑄“三大件”為含碳材料，在冶煉潔凈鋼時(shí)其最主要的問題是增碳污染，減少材料的碳含量可降低這種危害，但隨之而來的問題是材料的抗熱沖擊性降低，使用的安全性得不到保證。基于這種狀況，開發(fā)了內(nèi)襯復(fù)合無碳層的長水口或浸入式水口，而制品外部這種情況還未得到有效的改善，浸入鋼水的部位使用無碳或低碳的材料是未來長水口或浸入式水口的一個(gè)研發(fā)重點(diǎn)。在澆注某些鋼種時(shí)，氧化鋁會逐漸富集在水口內(nèi)壁，影響了連鑄生產(chǎn)和鋼材的質(zhì)量，使用防堵塞的浸入式水口可有效的改善這種狀況，這種水口一般是內(nèi)襯復(fù)合了特定材質(zhì)如尖晶石、CaZrO3-C、Al2O3-SiO2等，使表面反應(yīng)性低或與堵塞物形成低熔點(diǎn)物質(zhì)等。隨著對鋼水潔凈度的要求越來越高，要盡量避免保護(hù)渣的卷入，結(jié)晶器內(nèi)鋼水的流動狀態(tài)與浸入式水口內(nèi)部結(jié)構(gòu)和出口角度等有較大的關(guān)系，優(yōu)化浸入式水口結(jié)構(gòu)，改善鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的分布狀況則顯得格外重要。整體塞棒棒頭的熔損是造成對鋼水污染的主要來源，通過降低棒頭的碳含量，不僅可以減輕污染，而且使用壽命也可以大幅度提升，某廠使用的低碳塞棒可使鋼水的碳增量降低2.5ppm。

2.4 低碳、無碳耐火材料的研究

　　研究表明，含碳耐火材料中碳的含量、防氧化劑的種類及制備工藝均對鋼水中的增碳效應(yīng)產(chǎn)生影響，但碳含量為主要因素。在澆鑄低碳鋼或者超低碳鋼時(shí)鋼包渣線使用碳含量高的鎂碳材料不僅會造成對鋼水的增碳，而且鎂碳材料具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，鋼包降溫問題也很突出，降低鎂碳材料的碳含量則是一個(gè)較好的選擇，但隨之帶來的抗剝落性、抗渣性差等是限制其發(fā)展的主要瓶頸，這也成為當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。通過添加金屬(Al、Al/Mg、Si等)、碳化物(SiC、B4C、TiC等)、氮化物(TiN、TiCN等)、硼化物(ZrB2、CaB6等)、納米顆粒(納米炭黑)等表明，它們均對材料性能產(chǎn)生了明顯的改善作用。寶鋼在使用VOD冶煉不銹鋼時(shí)，包襯選用了碳含量為4%和6%的鎂碳材料，不僅沒有影響到不銹鋼鋼水質(zhì)量，而且可明顯提高使用壽命，降低耐火材料消耗。

　　超低碳鋼、純凈鋼的冶煉中需要使用低碳或無碳耐火材料，以減少耐火材料向熔鋼的增碳效應(yīng)。與碳含量高的耐火材料相比，開發(fā)低碳耐火材料要解決其抗熔渣侵蝕性、抗熱震性等問題，在這方面已有較多的報(bào)道。目前碳含量在3%的MgO-C材料的應(yīng)用已有報(bào)道，但使用性能和壽命仍有待提高。最近報(bào)道了一種新的制備低碳耐火材料的理念，即采用催化生長法原位獲得含有碳化物纖維/氧化物纖維或碳納米管的、顯微結(jié)構(gòu)均勻的低碳MgO-C材料，通過優(yōu)化材料的顆粒結(jié)構(gòu)、催化劑的選擇等，所制備材料不僅具有足夠的強(qiáng)度，也具有較好的抗熱震性能和抗熔渣侵蝕性能。制備低碳MgO-C材料的方法也可以用于制備其他的低碳含碳耐火材料，如Al2O3-C、ZrO2-C耐火材料，因?yàn)檫B鑄過程所使用的這類材質(zhì)功能性耐火材料碳含量均較高，在鑄造過程中使鋼水增碳。采用催化生長法原位獲得或采用其他方法獲得含有碳纖維或碳納米管的、結(jié)構(gòu)均勻的低碳含碳功能耐火材料，如低碳滑板、長水口、塞棒和浸入式水口等，用于潔凈鋼、超低碳鋼或純凈鋼生產(chǎn)非常有意義。

　　無碳鋼包材料由于自身不含碳，不污染鋼水，不給鋼水增碳，特別適合冶煉低碳鋼、超低碳鋼、潔凈鋼，受到冶煉優(yōu)質(zhì)合金鋼企業(yè)的青睞。鋼包襯的無碳化、堿性化是冶煉潔凈鋼的新需要，是鋼包襯用耐材的發(fā)展方向。無碳材料有整體澆注料(主要為剛玉-尖晶石質(zhì)、剛玉-氧化鎂質(zhì)澆注料)、澆注預(yù)制塊、無碳機(jī)壓成型磚(鋁鎂質(zhì)或鋁尖晶石質(zhì))等。中鋼洛耐院研究開發(fā)的無碳澆注料在國內(nèi)鋼廠的LF-VD精煉爐中使用，取得了使用壽命達(dá)到120爐次后殘厚仍有110mm厚的良好業(yè)績。

3 結(jié)論

　　耐火材料的材質(zhì)與結(jié)構(gòu)配置是影響潔凈鋼質(zhì)量和性能的重要因素，包襯使用堿性和無碳耐火材料是降低耐火材料污染的重要方面；功能耐火材料要求低碳或無碳，減少對鋼水增碳，開發(fā)無碳復(fù)合功能耐火材料是今后的重要研究課題；合理配置中間包內(nèi)耐火材料以及優(yōu)化浸入式水口出口結(jié)構(gòu)對改善鋼液的流動狀態(tài)有積極作用，可有效減少卷渣、促進(jìn)夾雜物的上浮。另外，潔凈鋼用低污染耐火材料集成技術(shù)也是今后的研究方向。