摘要： 本文深入探讨了氮化硅结合碳化硅砖在江苏地区高炉炉缸中的服役行为。通过对砖体在高温、化学侵蚀、热应力等复杂环境下的性能变化进行研究，分析了其在使用过程中的优势与不足，并提出了相应的改进建议，旨在为提高高炉炉缸的寿命和稳定性提供理论依据与实践指导。

一、引言

高炉炉缸作为高炉炼铁的关键部位，长期承受着高温、高压、复杂的化学反应以及强烈的热震等恶劣条件。传统的耐火材料在此类极端环境下往往难以满足高炉长寿的要求。氮化硅结合碳化硅砖因其优异的耐高温、耐腐蚀、高导热性以及良好的热震稳定性等特性，在高炉炉缸的应用中逐渐受到关注。江苏地区作为钢铁产业的重要集聚地，众多高炉面临着炉缸耐火材料选型与维护的挑战，深入研究氮化硅结合碳化硅砖在此地区的服役行为具有重要的现实意义。

二、氮化硅结合碳化硅砖的性能特点

（一）优异的耐高温性能

氮化硅结合碳化硅砖中的氮化硅和碳化硅均具有极高的熔点，使得砖体在高炉炉缸的高温环境中（通常温度可达 1500℃以上）仍能保持较好的结构稳定性，不易软化和变形，能够有效抵御高温热负荷的冲击。

（二）良好的耐腐蚀性

高炉炉缸内的炉渣、铁水等物质具有较强的化学腐蚀性。氮化硅结合碳化硅砖在高温下可与炉渣形成一层致密的保护层，阻止炉渣进一步向砖体内部渗透侵蚀。同时，其对铁水的浸润性较低，减少了铁水与砖体的化学反应，从而延长了砖体的使用寿命。

（三）高导热性

该砖具有较高的导热系数，能够快速将高炉炉缸内的热量传导出去，避免局部过热现象的产生，有助于降低砖体内部的热应力，提高其在热震条件下的稳定性，减少因热应力集中导致的砖体开裂与剥落。

（四）出色的热震稳定性

在高炉冶炼过程中，炉缸温度会因各种因素产生波动，导致耐火材料经受频繁的热震作用。氮化硅结合碳化硅砖由于其独特的晶体结构和性能，能够在较大的温度差变化下保持较好的完整性，有效抵抗热震破坏。

三、在江苏高炉炉缸中的服役环境

（一）高温环境

江苏地区高炉炉缸在正常生产时，内部温度长期处于高位运行状态。尤其是在炉缸靠近铁口、风口等部位，热量集中且散热条件相对较差，温度可达 1500 - 1600℃甚至更高。这种持续的高温环境对耐火材料的耐高温性能提出了极高的要求，氮化硅结合碳化硅砖在此环境下需承受巨大的热负荷，其内部晶体结构可能发生变化，如晶粒长大、相变等，进而影响砖体的性能。

（二）化学侵蚀

高炉炉缸内的炉渣成分复杂，包含多种碱性氧化物和酸性氧化物。炉渣在高温下会与氮化硅结合碳化硅砖发生化学反应，侵蚀砖体表面并向内部渗透。江苏地区高炉的炉渣成分因原料、冶炼工艺等因素存在一定的差异，但总体上对耐火材料的化学侵蚀性较强。例如，炉渣中的氧化钙、氧化镁等碱性物质可能与砖体中的氮化硅、碳化硅发生反应，生成低熔点的矿物相，降低砖体的熔点和强度。同时，铁水中的碳、硅等元素也可能与砖体发生渗透和反应，加速砖体的损坏。

（三）热应力作用

高炉在生产过程中，由于各部位的温度差异、炉内气流的不稳定以及装料、出铁等操作引起的温度波动，导致炉缸耐火材料承受频繁的热应力作用。在加热和冷却过程中，砖体内部会因热膨胀系数不同而产生热应力。氮化硅结合碳化硅砖虽然具有较好的热震稳定性，但在长期的热应力循环作用下，仍可能产生微裂纹。这些微裂纹逐渐扩展和相互连通，最终可能导致砖体的剥落和损坏。此外，炉缸的形状和结构特点也使得热应力分布不均匀，在一些应力集中的部位，如炉缸的拐角处、冷却壁附近等，砖体的损坏更为严重。

（四）机械冲刷与磨损

高炉炉缸内铁水、炉渣的流动会对耐火材料产生机械冲刷和磨损作用。在铁口、渣口等部位，铁水和炉渣的流速较高，对砖体表面的冲刷力较大。江苏地区高炉的生产节奏较快，铁水和炉渣的排放频率较高，加剧了这种机械冲刷与磨损。长时间的冲刷和磨损会使砖体表面逐渐磨损减薄，甚至露出砖体的薄弱部位，降低其整体的防护能力。

四、服役行为分析

（一）砖体结构变化

在长期服役过程中，氮化硅结合碳化硅砖的内部结构会发生变化。通过对其显微结构的观察发现，砖体中的氮化硅和碳化硅晶粒在高温和化学侵蚀作用下会发生一定程度的长大和形状改变。原本紧密排列的晶粒结构可能会变得疏松，孔隙率增加。这是由于在高温下，物质的扩散速率加快，晶粒为了降低表面能而发生合并与长大。同时，化学侵蚀产物在砖体内部和表面的堆积也会对砖体的结构产生影响，一些侵蚀产物可能会填充孔隙，而另一些则可能导致局部体积膨胀，产生内应力，进一步破坏砖体的结构完整性。

（二）性能衰减

随着服役时间的延长，氮化硅结合碳化硅砖的各项性能逐渐衰减。其耐高温性能下降，表现为在相同温度下砖体的变形量增加，这是因为砖体内部结构的变化导致其高温强度和抗蠕变性能降低。耐腐蚀性也随之减弱，炉渣和铁水对砖体的侵蚀深度逐渐加深，侵蚀速度加快。这是由于砖体表面形成的保护层在长期的化学侵蚀和机械冲刷作用下逐渐被破坏，无法有效阻止炉渣和铁水的进一步渗透。高导热性虽然在一定程度上有助于散热，但随着砖体结构的破坏和孔隙率的增加，其导热性能也会变得不稳定，局部热量积聚现象可能加重，进而影响砖体的热震稳定性。热震稳定性方面，由于砖体内部微裂纹的增加和扩展，在温度波动时更容易发生开裂和剥落，其承受热震的能力明显下降。

（三）损伤形式

氮化硅结合碳化硅砖在江苏高炉炉缸中的损伤形式主要包括侵蚀、剥落和裂纹。侵蚀主要发生在砖体与炉渣、铁水接触的表面，表现为表面的磨损和化学物质的渗透。剥落则多由于热应力作用导致砖体内部产生微裂纹，这些裂纹在热震或机械力的作用下逐渐扩展，使得砖体的表层或部分碎片从本体上脱落。裂纹的形成原因较为复杂，既有热应力产生的温度梯度裂纹，也有因化学侵蚀导致的物质迁移而产生的裂纹，还有机械冲刷造成的表面裂纹。在一些严重的情况下，这些损伤形式相互交织，加速了砖体的损坏进程。例如，侵蚀作用会使砖体表面产生凹坑和裂缝，这些缺陷成为热应力集中的部位，容易引发剥落和裂纹的进一步扩展；而裂纹的存在又为炉渣和铁水的渗透提供了通道，加重了侵蚀程度。

五、影响服役行为的因素

（一）原料质量

氮化硅结合碳化硅砖的性能在很大程度上取决于其原料质量。氮化硅和碳化硅的纯度、粒度分布以及杂质含量等都会影响砖体的烧结性能、微观结构和最终性能。如果原料中杂质含量过高，在高温下可能会形成低熔点的杂质相，降低砖体的耐高温性能和耐腐蚀性。此外，原料的粒度分布不均匀会导致砖体烧结过程中的不均匀收缩，产生内应力，影响砖体的结构稳定性和强度。在江苏地区，不同厂家生产的氮化硅结合碳化硅砖原料质量存在一定差异，这也可能是导致其在高炉炉缸服役行为不同的一个重要因素。

（二）烧成工艺

烧成工艺对氮化硅结合碳化硅砖的性能和服役行为有着至关重要的影响。烧成温度、保温时间、升温速率以及烧成气氛等参数都会影响砖体的致密度、晶体结构和相组成。合适的烧成温度和保温时间能够使氮化硅和碳化硅充分烧结，形成良好的结合结构，提高砖体的强度和耐磨性。然而，过高的烧成温度可能导致晶粒过度长大，降低砖体的热震稳定性；而过低的烧成温度则会使砖体烧结不充分，存在较多孔隙，影响其性能。烧成气氛的控制也较为关键，例如在氮气气氛下烧成有助于减少氧含量，防止氮化硅和碳化硅的氧化，从而保证砖体的性能。江苏地区各高炉企业在使用氮化硅结合碳化硅砖时，由于烧成工艺的差异，其砖体质量和在高炉炉缸中的服役表现也有所不同。

（三）高炉操作工艺

高炉的操作工艺，如炉温控制、炉渣成分调节、装料制度、送风制度等，都会对氮化硅结合碳化硅砖的服役行为产生影响。炉温的波动直接影响砖体的热应力大小和频率，频繁的温度波动会加速砖体的热震破坏。炉渣成分的变化会改变其对砖体的化学侵蚀