熔铸Al2O3-ZrO2-SiO2(AZS)耐火材料是玻璃熔窑的关键筑炉材料。本文分别以煅烧氧化铝粉和普通工业氧化铝粉为原料制备熔铸AZS耐火材料，并采用岩相分析、X射线衍射分析和能谱分析等测试方法，对比分析了两种熔铸AZS耐火材料的结构和性能。结果表明：普通工业氧化铝粉制备的熔铸AZS耐火材料中存在未转化完全的γ-Al2O3，导致获得的Al2O3-ZrO2共晶体分布不均匀。煅烧氧化铝粉制备的熔铸AZS耐火材料中，氧化铝物相为α-Al2O3，其晶体结构中斜锆石少，Al2O3-ZrO2共晶体多，玻璃相分布均匀。晶体结构的分布影响着玻璃相渗出量和抗玻璃液侵蚀性能。煅烧氧化铝粉制备的熔铸AZS耐火材料玻璃相渗出量比普通工业氧化铝粉制备的熔铸AZS耐火材料玻璃相渗出量降低了0.57个百分点，抗玻璃液侵蚀性能提高了0.15 mm/24 h。

基于珠光砂孔隙多、体积密度低、热导率低的特点，为提高中间包永久性内衬浇注料的保温性能，本文研究了珠光砂添加量对矾土浇注料性能的影响。结果表明，随着珠光砂添加量的增加，烧制浇注料的体积密度减小，显气孔率增加，这与珠光砂本身特性有关，且随着珠光砂添加量的增加，浇注料的加水量增加，烧制时浇注料内部由于水分蒸发形成的原位气孔增加。同时，由于吸水后珠光砂强度降低且珠光砂与浇注料中基质的结合作用较弱，随着珠光砂添加量的增加，浇注料的抗折强度、常温抗压强度降低。综合分析，珠光砂最佳添加量为3%(质量分数)。在400~800 ℃时，添加3%珠光砂浇注料的导热系数比常规矾土浇注料低30%左右，证明添加珠光砂可显著提高矾土浇注料的保温性能。

硅砖属于酸性耐火材料, 具有高荷重软化温度和抗酸性渣侵蚀能力, 但抗碱侵蚀能力很差, 因此研究不同硅砖的抗碱侵蚀能力对硅质耐火材料的应用有重要意义。本文选用了四种硅砖(JG-95#硅砖、BG-96A#硅砖、ZES-99#硅砖和DES-99#硅砖), 采用化学分析、显微结构分析、X射线粉末衍射分析和显气孔体密度分析等方法对比分析了四种不同硅砖晶相组成和晶相转变对抗碱侵蚀能力的影响, 结果表明, ZES-99#硅砖和DES-99#硅砖的抗碱侵蚀能力明显优于JG-95#硅砖和BG-96A#硅砖, 即二氧化硅含量较高的硅砖抗碱侵蚀能力更强, 并且以方石英、鳞石英和熔融石英为主晶相的硅质耐火材料都具有良好的抗碱侵蚀能力。

以不同粒径的烧结镁砂、电熔镁铝尖晶石、镁铝尖晶石空心球为起始原料, 采用固相烧结法制备了方镁石-镁铝尖晶石砖。通过X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)表征试样的物相组成和微观结构, 利用阿基米德排水法测试试样的体积密度和显气孔率, 研究轻质氧化镁含量和烧结温度对方镁石-镁铝尖晶石砖性能的影响。结果表明, 随轻质氧化镁含量的增加, 方镁石-镁铝尖晶石砖显气孔率呈增加趋势, 而体积密度变化不明显, 试样表现出优异的力学性能。当轻质氧化镁含量为25%(质量分数)时, 方镁石-镁铝尖晶石砖的抗折强度最大为9.56 MPa, 热导率最低为1.92 W·m-1·K-1。显微结构表明骨料和基质结合良好, 并能形成微孔状通道。利用其特殊的微孔结构, 提高了试样的力学性能和耐腐蚀性, 进一步保护方镁石-镁铝尖晶石砖免受碱侵蚀。

以两种不同粒径的石英砂为原料, 石灰乳和纸浆废液为结合剂, 经1 430 ℃高温烧成制备硅砖, 研究复合矿化剂及保温时间对硅砖物相组成、显微结构及主要物理性能的影响规律。研究结果表明, 经1 430 ℃保温10 h后, 烧成试样由鳞石英、方石英及少量残余石英组成。添加铁鳞粉-CaO-MnO2-SiC或铁鳞粉-CaO-MnO2-TiO2四元矿化剂时, 硅砖中典型的骨料-基质耐火材料结构消失, 并逐步出现“均质化”效应。当矿化剂为铁鳞粉-CaO-MnO2-TiO2时, 经1 430 ℃保温10 h后, 烧成试样具有较好的综合性能, 其体积密度、显气孔率及常温耐压强度分别约为(1.93±0.01) g·cm-3、(14.9±0.1)%及(55.05±0.64) MPa。在最佳矿化剂组分及烧成制度基础上, 延长保温时间至15或20 h时, 材料中残余石英含量降低, 但鳞石英含量增大, 导致体积膨胀效应增强, 使材料的物理性能受损。

红柱石是铝硅系耐火材料重要的原料之一, 因完全莫来石化后具有莫来石-高硅氧玻璃相相间的结构而表现出优异的抗碱侵蚀性能。然而, 其莫来石化程度与抗碱侵蚀性能之间的关系尚未厘清。为此, 本工作以粒度为3~5 mm的红柱石为研究对象, 在1 450~1 600 ℃下热处理红柱石3 h, 研究了红柱石的莫来石化过程与结构演变, 并采用碱蒸气法研究了抗碱侵蚀行为。结果表明, 随着热处理温度的提高, 红柱石表面及裂纹附近先转变形成莫来石-高硅氧玻璃相结构, 随后莫来石化转变不断向内部发展, 直至完全莫来石化。红柱石莫来石化程度不同决定了其不同的抗碱侵蚀行为。1 450 ℃热处理后的红柱石表面及大裂纹附近形成的莫来石-高硅氧玻璃相复合层较薄, 侵蚀以红柱石与钾蒸气直接反应为主, 抗碱侵蚀性能较差; 1 500 ℃及以上温度热处理的红柱石表面及大裂纹附近形成了一定厚度的莫来石-高硅氧玻璃相复合层, 钾蒸气首先与高硅氧玻璃相反应形成含钾硅酸盐液相, 随后该液相对莫来石相产生侵蚀溶解, 阻止了碱蒸气对莫来石的直接反应侵蚀, 从而使红柱石表现出优良的抗碱侵蚀性能。

钢渣侵蚀是耐火材料在服役过程中的主要损毁形式之一, 实际侵蚀过程难以直接观察。传统上采用蚀后分析方法来评价耐火材料的抗侵蚀能力和了解侵蚀机理, 但易缺少过程信息, 导致结果存在偏差。因此, 本文在高温可视化系统基础上, 结合数字图像相关法, 选取三种典型钢渣, 开展铝镁质耐火材料的渣蚀行为研究, 并探讨了不同钢渣及热处理温度对材料抗侵蚀能力的影响。结果表明: 碱度越低的熔渣对铝镁质耐火材料的侵蚀越严重; 对铝镁质耐火材料进行1 000 ℃以上的热处理, 可有效提高材料的抗侵蚀能力; 通过数字图像相关法可以获得随时间变化的平均应变曲线和侵蚀应变云图, 其中平均应变曲线可以对比铝镁质耐火材料对不同钢渣的抗侵蚀能力, 侵蚀应变云图可以反映侵蚀的演变过程, 两者为耐火材料渣蚀过程的表征提供了量化指标。

水氯镁石是一种非常具有应用前景的镁盐资源, 其储量丰富, 成本低廉。以青海盐湖水氯镁石和水玻璃合成不同MgO/SiO2摩尔比(0.5∶1, 1∶1, 1.5∶1)的水合硅酸镁(M-S-H)凝胶, 采用XRD、SEM、红外和核磁共振等测试手段研究M-S-H的合成机理和结构特征, 进而将合成的M-S-H与硅微粉复合制备镁质浇注料, 探究M-S-H结构对浇注料结合特性的影响规律。结果表明: 不同MgO/SiO2摩尔比的M-S-H呈层状堆叠结构, MgO/SiO2摩尔比为1∶1时M-S-H的层间自由水少, 结晶度最高; M-S-H替代部分硅微粉制备镁质浇注料能显著提高1 550 ℃热处理后浇注料的力学性能, 其中MgO/SiO2摩尔比为1∶1的M-S-H复合硅微粉制备的镁质浇注料综合性能最佳, 与添加6%(质量分数)硅微粉制备的镁质浇注料相比, 其常温抗折强度和高温抗折强度分别提高75%和8%。

本文以熔铸耐火材料为研究对象进行抗盖板玻璃熔体侵蚀试验, 采用化学分析、岩相分析和电子显微镜能谱分析等测试分析方法, 对比研究钠钙玻璃熔体、高铝玻璃熔体和锂铝玻璃熔体对熔铸耐火材料的侵蚀行为。结果表明, 玻璃熔体中的碱金属离子向耐火材料中的玻璃相扩散, 导致玻璃相黏度降低, 同时耐火材料中刚玉相溶解, 斜锆石分散, 主体结构遭到破坏, 并形成界面层。界面层内存在富铝含锆的玻璃相, 由于高铝玻璃和锂铝玻璃氧化铝含量高, 表面张力大, 界面层内的玻璃相聚集在试样周围且扩散慢, 从而阻止了侵蚀的发展。玻璃熔体的侵蚀速率为钠钙玻璃熔体＞高铝玻璃熔体＞锂铝玻璃熔体。

不锈钢生产主要采用氩氧精炼(AOD)炉冶炼工艺, 本文探究AOD炉渣对钢包内衬用MgO-C砖的侵蚀机理, 为提高钢包内衬用MgO-C砖的使用性能和服役寿命提供理论支撑。结合FactSage6.2软件、X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(SEM)和能量色散光谱(EDS)等测试手段分析炉渣侵蚀后MgO-C砖的物相变化、显微结构和化学成分变化。结果表明, 随着侵蚀反应的进行, 方镁石逐渐被熔蚀, 且逐步出现Ca3MgSi2O8等低熔点物相, 以及MgAl2O4等高熔点物相。AOD炉渣通过基质部分侵蚀渗透MgO-C砖, 并与方镁石反应生成Ca3MgSi2O8等低熔点物相, 熔蚀方镁石; 同时, 方镁石边界处生成MgAl2O4, 阻碍AOD炉渣对MgO-C砖的侵蚀渗透。