摘要

本文聚焦于利用金属冶炼转炉原料制备高铝-碳化硅-碳质浇注料，并针对山西高炉的特定工况进行纳米改性处理。详细阐述了浇注料的制备过程、纳米改性方法，通过在山西高炉中的实际应用，从多个维度对其使用效果展开评价，旨在为高炉耐火材料的性能优化与成本控制提供有价值的参考，助力钢铁行业的节能降耗与高效生产。

引言

在钢铁冶炼过程中，高炉耐火材料的性能至关重要，它直接影响着高炉的生产效率、使用寿命以及铁水质量。传统的高炉浇注料在面对日益严苛的冶炼条件，如高温、高压、高炉渣侵蚀等环境下，逐渐暴露出耐用性不足、导热系数偏高等缺陷。近年来，随着资源的循环利用理念深入人心，利用金属冶炼转炉原料制备耐火浇注料成为研究热点，不仅实现了固体废弃物的再利用，还可能赋予材料独特性能。高铝-碳化硅-碳质浇注料结合了高铝材料的耐高温性、碳化硅的高强度与高导热性以及碳素的抗热震性，具备优良的综合性能潜力。而纳米改性技术作为提升材料性能的前沿手段，为进一步优化此类浇注料性能带来了新机遇，尤其对于山西地区高炉特殊的原燃料条件和冶炼工艺，探究其应用效果具有重要现实意义。

高铝-碳化硅-碳质浇注料的制备

原料选择

1. 金属冶炼转炉原料：收集经筛选、处理后的转炉钢渣、转炉尘泥等作为主要原料来源。这些原料富含钙、镁、铁、硅等氧化物，经过精细研磨、筛分，去除杂质后，作为骨料与粉体部分参与浇注料制备，实现资源回收利用，降低生产成本。

2. 高铝原料：选用优质矾土、刚玉等高铝矿物，确保浇注料具有高的氧化铝含量，提供优异的耐高温性能，能在高炉内长期承受高温炉气的冲刷与侵蚀。

3. 碳化硅原料：采用粒度合适的碳化硅颗粒，凭借其高硬度、高耐磨性以及良好的导热性能，增强浇注料的机械强度与抗热震稳定性，同时有助于热量快速传导，避免局部过热。

4. 碳素原料：加入石墨、焦炭等碳素材料，利用其良好的导电性、润滑性以及在高温下的还原性，改善浇注料的烧结性能，提高抗热震能力，缓解热应力对材料的破坏。

配方设计

根据高炉不同部位（炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸等）的工况特点，精准调配各原料比例。例如，在炉缸等承受高温、高压及强烈炉渣侵蚀部位，适当提高高铝原料与碳化硅含量，增强耐磨性与抗侵蚀性；而在炉喉等温度相对较低、物料冲击较大区域，优化碳素原料配比，提升抗热震与韧性。通过大量实验与理论计算，确定基础配方范围，保证浇注料整体性能均衡。

混料与成型

将各种原料按照配方准确称量后，置于强制式搅拌机中充分混合，确保各组分均匀分布。加入适量的结合剂（如酚醛树脂、铝酸盐水泥等），继续搅拌使物料形成具有一定塑性与结合力的混合料。随后，采用振动成型、捣打成型等方式，将混合料制成所需形状的浇注料预制块或直接浇注到高炉相应部位进行现场施工，严格控制成型工艺参数，保障浇注料内部结构致密、无缺陷。

纳米改性方法

纳米添加剂选择

1. 纳米氧化物：如纳米氧化铝（Al₂O₃）、纳米氧化锆（ZrO₂）等，纳米氧化铝可填充浇注料内部孔隙，细化材料内部结构，提高致密度与强度；纳米氧化锆凭借其相变增韧特性，在高温下能吸收应力，显著提升浇注料的韧性与抗热震性能。

2. 纳米碳管或石墨烯：这类碳基纳米材料具有极高的比表面积、优异的导电性与力学性能。添加后能构建高效的导电网络，促进热量均匀扩散，减少热应力集中，同时增强材料内部各相之间的界面结合力，提升整体力学性能。

改性工艺

1. 分散处理：由于纳米材料极易团聚，首先采用超声波分散、机械搅拌结合表面活性剂处理等手段，将纳米添加剂均匀分散在溶剂（如乙醇、水等）中，形成稳定的纳米悬浮液。

2. 复合掺入：在浇注料混料阶段，将纳米悬浮液缓慢加入到混合好的原料中，持续搅拌确保纳米材料与基体材料充分混合，利用基体材料的吸附与包裹作用，使纳米粒子均匀分布在浇注料内部，避免团聚现象，实现纳米尺度上的均匀改性。

在山西高炉中的应用实践

高炉概况与工况特点

山西地区高炉普遍面临原燃料条件复杂、焦炭灰分较高、铁矿石品位波动大等问题，导致高炉内温度场、渣相成分不稳定，对耐火材料的侵蚀、冲刷严重。且当地高炉多为大型化、现代化装备，对耐火材料的使用寿命、性能稳定性要求极高，任何局部耐火材料的失效都可能导致高炉停产检修，造成巨大经济损失。

应用部位与施工

选取多座具有代表性的山西高炉进行试验应用，涵盖炉身中下部、炉腰、炉腹等关键部位。施工前，对高炉内壁进行清理与预处理，确保表面平整、洁净。采用模块化预制浇注料块与现场浇注相结合的方式，对于形状规则、尺寸较大的部位使用预制块快速安装，异形或狭窄区域则现场浇注，保证施工质量与效率。施工过程中严格控制环境温度、湿度，遵循浇注料的凝固与养护规范，确保材料性能充分发挥。

效果评价

热力学性能

1. 导热系数：通过对比改性前后浇注料的导热系数测试数据，发现纳米改性后的高铝-碳化硅-碳质浇注料导热系数在不同温度区间均有所优化。在低温段（室温 - 300℃），由于纳米材料填充孔隙，减少了空气对流散热，导热系数略有降低；而在高温段（800℃ - 1500℃），纳米材料构建的高效导热网络促使热量快速且均匀传导，避免了局部过热，导热系数相对稳定且合理分布，有效调节高炉内温度梯度，减少热应力对炉体的破坏。

2. 热膨胀系数：利用热膨胀仪测定结果显示，纳米改性浇注料的热膨胀系数较未改性样明显降低。这是由于纳米粒子在材料内部起到钉扎作用，抑制了基体材料在升温过程中的晶格膨胀与微观结构变化，使浇注料在高炉频繁的升降温过程中尺寸稳定性更好，降低了因热胀冷缩产生的裂纹与剥落风险，延长了使用寿命。

抗热震性能

模拟高炉内急剧的温度波动环境，进行多次热震试验（如将浇注料试样在 1000℃ - 200℃之间快速循环加热冷却）。未经纳米改性的浇注料试样在经历数次热震后出现明显裂纹、剥落，而纳米改性后的试样表面仅出现少量细微纹路，内部结构保持完整。这表明纳米材料通过改善材料内部应力分布、增强界面结合力，大幅提升了浇注料的抗热震性能，使其能更好地适应山西高炉复杂的温度变化工况，减少因热震导致的材料损坏频次。

抗侵蚀性能

采集高炉运行一段时间后的浇注料样本，观察其与炉渣接触面的变化。相较于传统浇注料，纳米改性高铝-碳化硅-碳质浇注料在面对山西高炉高碱度、高氧化性炉渣侵蚀时，表现出更强的抵抗能力。炉渣渗透深度明显减小，侵蚀界面清晰且平滑，未出现大面积的蚀损坑洼。这是因为纳米材料一方面细化了材料内部组织，阻碍了炉渣的侵入通道；另一方面，部分纳米氧化物与炉渣中的成分发生化学反应，形成一层致密的保护层，如同“铠甲”般包裹在浇注料表面，阻止炉渣进一步侵蚀，有效延长了浇注料在高炉内的服役周期。

力学性能

通过对从高炉拆除的浇注料进行抗压、抗折强度测试发现，经过纳米改性的试样力学性能显著优于未改性样。纳米粒子的加入均匀分散了应力，强化了材料内部薄弱部位，使得浇注料在承受高炉内物料冲刷、挤压等外力作用时，不易断裂、破碎，保证了高炉内衬结构的完整性，为高炉稳定运行提供了坚实支撑。

经济效益分析

综合考虑纳米改性浇注料的原材料成本、制备加工费用以及在高炉中使用后的使用寿命延长因素，虽然纳米添加剂引入增加了一定成本，但因其显著提升了浇注料性能，减少了高炉因耐火材料损坏导致的停产检修次数，缩短了检修时间，提高了高炉作业率，降低了铁水生产成本。经测算，在山西高炉大规模应用纳米改性高铝