在转炉炼钢过程中，出钢口砖的耐用性对于提高生产效率和降低成本至关重要。传统的镁碳出钢口砖虽然在耐渣性和热震稳定性方面表现出色，但在高温和强氧化环境下的脱碳问题仍然是限制其使用寿命的主要因素。提出了一种低碳复合转炉出钢口砖，通过优化材料配方和制备工艺，显著提高了出钢口砖的抗氧化性和耐热冲击性。新型出钢口砖采用径向分层设计，外层高碳部分与内层低碳部分的碳含量（w）分别调整为10%～20%和3%～6%，以适应高温下的热应力和化学侵蚀。实验结果表明，该复合砖在高温下的稳定性和耐用性得到了显著提升，有效延长了使用寿命。这种材料不仅能够减少炼钢过程中的维护成本和停机时间，还具有广泛的应用前景和市场潜力。

在现代钢铁工业中，转炉炼钢技术是生产高质量钢材的关键环节。出钢口砖作为转炉的重要组成部分，其性能直接影响到炼钢的效率和成本。传统的高碳镁碳砖因其优异的抗渣性和热震稳定性而被广泛应用于转炉的砌筑，但其在高温和强氧化环境下的脱碳问题限制了其使用寿命。随着炼钢工艺的发展和对环境保护要求的提高，开发一种更耐用、低碳环保的出钢口砖成为行业的迫切需求。近年来，国内外在耐火材料的研究方面取得了显著进展。一些研究者通过在镁碳砖中加入抗氧化剂，如氮化硼和碳化硼，以提高其抗氧化性能。此外，纳米材料的引入也被认为是提高耐火材料性能的有效途径。

本文旨在通过优化材料配方和制备工艺，研制一种低碳复合出钢口砖，以提高其抗氧化性和耐热冲击性，延长使用寿命。通过系统的实验研究和性能测试，验证新型低碳复合出钢口砖的优越性，并探索其在实际应用中的潜力，为钢铁工业的生产效率和环保要求提供了新思路，还在耐火材料领域开辟了新的应用前景。

1.低碳复合出钢口砖的制备及理化指标

1.1主要原料的组成

为了制备性能优异的低碳复合出钢口砖，选择适合的原材料是制备过程的关键。选用了高纯度的99大结晶电熔镁砂（质量分数如下：MgO的含量≥98.5%,Fe₂O₃的含量≤0.2%,SiO₂的含量≤0.2%,CaO的含量≤0.4%）作为主要原料，粒径包括2～1 mm、1～0.5 mm、0.5～1 mm、≤0.088 mm，大结晶镁砂能够在高温下保持稳定的结构和性能。此外，鳞片石墨（固定碳的质量分数≥98%）作为主要碳源，粒径≤0.088 mm，以其高导热性和低热膨胀系数，有助于提高材料的抗热震性能；其他基质部分辅以氮化硼粉[w(BN）≥99%，粒度≤1μm）]、硼化钙、碳黑、高温沥青粉、碳化硼等复合碳源添加来增强抗氧化性。金属铝粉，w(Al）≥99%，粒度≤0.044 mm；金属硅粉，w(Si）≥98%，粒度≤0.088 mm；结合剂为热固性酚醛树脂，其残碳量（w）≥45%，黏度为10～20 Pa·S，游离酚含量（w)<10%，水分（w）≤3%

1.2低碳复合出钢口砖的制备

低碳复合出钢口砖的制备过程包括以下几个步骤。

（1）原料混合：先对不同粒径的99大结晶电熔镁砂颗粒进行称重，然后在V型搅拌器中混合10 min，以确保不同粒度颗粒料的均匀性。

（2）添加剂预混：将抗氧化剂和其他添加剂，如纳米氧化铝粉、碳黑、金属铝粉等，通过高速混粉机预混合，确保均匀分布。

（3）高速混碾：将颗粒料和添加剂预混粉与液体热固酚醛树脂和固体树脂粉一同进行高速混碾，形成均匀的泥料。

（4）等静压成型：采用隔离套筒将两种泥料分次加入模具，出钢口砖径向复合比例为外层高碳部的厚度占比为60%；内层低碳部的厚度占比为40%[1]。通过等静压方式成型，以确保材料的致密性。

（5）干燥固化：成型后的坯体自然晾放24 h，随后在250℃下进行干燥固化处理36 h，以确保材料的稳定性和性能。

（6）真空浸渍处理：干燥后的出钢口砖在预热窑预热至砖体表面温度为250℃后进行沥青浸渍处理，使用中温进口环保沥青作为介质，软化点70℃左右。抽真空排出砖体气孔内的气体，在油浸压力1.5 MPa下保压3 h，使得沥青充满砖体内部。增强砖体致密度，填充孔隙提高抗渗性，使其砖体更加致密、耐用。

（7）砖面清理：油浸处理后的出钢口砖利用抛丸机进行表面处理，清除表面沥青残留，确保质量和外观。

1.3低碳复合出钢口砖的性能指标

按GB/T 2997—2000检测试样体积密度和显气孔率，按GB/T 5072—2008检测常温耐压强度，按GB/T 3002—2017测定试样在1 400℃保温0.5 h的高温抗折强度。采用水冷法检测试样的抗热震性：将烧成试样置于1 100℃马弗炉中保温30 min，取出试样，并在流动水中急冷至室温，观察试样是否出现裂纹。重复此过程，直至试样出现裂纹为止，评价材料的抗热震性能。

2.结果和讨论

2.1 材料性能提高的机理

低碳复合出钢口砖在各项性能指标上优于传统高碳镁碳转炉出钢口砖，其主要原因在于材料配方和制备工艺的优化。

（1）显气孔率：显气孔率和体积密度是衡量耐火材料致密度的重要指标。低碳复合出钢口砖通过在制备过程中采用沥青真空浸渍处理，显著降低了显气孔率，提高了体积密度，使材料在高温下更加致密，减少气孔和裂纹的产生，从而提升整体机械性能和耐用性。

（2）力学性能：低碳复合出钢口砖在常温和高温下的抗折强度均有所提高。这主要归因于纳米氧化铝粉和氮化硼粉的加入，使得材料在高温下形成更为致密的微结构，提高了材料的强度和韧性。

（3）抗氧化性能：低碳复合出钢口砖在内层添加纳米氧化铝粉、氮化硼粉和碳化硼，这些添加剂在高温下能够形成致密的保护层，阻止氧气侵入。纳米氧化铝在高温下生成致密的Al₂O₃保护层，有效减缓碳的氧化速率。多余配置的氧化铝在使用中约1 100℃的高温下与氧化镁反应生成MgO·Al₂O₃系尖晶石，该反应伴随体积膨胀，使套筒耐火物的内部的组织致密化，可以抑制钢水和熔渣的浸入。氮化硼在高温下与氧反应生成BN和B₂O₃，形成多层保护结构，进一步增强抗氧化性。

（4）热震稳定性：低碳复合出钢口砖在外层采用高碳的鳞片石墨，有助于吸收和缓解热应力。同时，内层材料中的纳米氧化铝粉和碳黑在高温下形成细密的微结构，提高了材料的抗热震性能，使低碳复合出钢口砖能够承受更多的热循环冲击。

（5）高温抗折强度：高温抗折强度提高的关键在于材料的热稳定性和抗氧化性。内外层材料的不同碳含量设计，使得外层材料能够承受较高的热应力，而内层材料则具有较高的抗氧化性，减少了在高温环境下的碳氧反应，从而保持了材料的结构完整性和强度。

（6）服役寿命：服役寿命的延长得益于上述各项性能的综合提升。低显气孔率和高体积密度提高了材料的耐侵蚀性和结构稳定性，而高温耐压强度和高温抗折强度则增强了材料的耐机械冲击和耐热冲击能力。此外，径向分层设计有效地分担了高温和化学侵蚀应力，使材料在复杂环境下具有更长的使用寿命。

2.2 不同工艺参数对材料性能的影响

在本研究中，不同工艺参数对材料性能的影响显著，具体如下。

（1）碳含量的分布：外层碳含量为14.7%(w），内层碳含量为6%～10%(w）。外层较高的碳含量有助于吸收热应力，减缓热震损伤，而内层较低的碳含量则显著提高了材料的抗氧化性。这样的分层设计确保了材料在高温环境下的稳定性和耐用性。

（2）添加剂的选择和比例：纳米氧化铝粉、氮化硼粉和碳化硼等添加剂的合理使用，显著增强了材料的致密性和抗氧化性。纳米氧化铝粉和氮化硼粉填充了微小孔隙，降低了显气孔率，提高了体积密度和强度。碳化硼则增强了材料的抗氧化性和耐热性能。

（3）成型工艺：等静压成型工艺确保了材料的均匀致密性，减少了成型过程中产生的孔隙，提高了材料的体积密度和机械强度。同时，成型压力和时间的精确控制确保了材料的均匀致密。（4）干燥固化和油浸处理：干燥固化过程中的温度和时间控制以及油浸处理的介质选择和浸泡时间对材料的最终性能有显著影响。250℃的干燥固化处理确保了材料内部结合剂的充分固化，提高了材料的机械强度和热稳定性。油浸处理则进一步增强了材料的耐热性能和抗氧化性。

通过上述优化设计和工艺控制，低碳复合出钢口砖在各项性能指标上均表现出色，特别是在耐氧化性、耐热冲击性和服役寿命方面，实现了显著提升，为转炉炼钢提供了一种高效、经济的耐火材料解决方案。未来研究可进一步优化材料配方和工艺参数，探索更广泛的工业应用，推动低碳复合耐火材料的发展。

3.低碳复合出钢口砖在转炉炼钢中的使用

新型低碳复合出钢口砖在河北钢铁等多个炼钢厂应用，使用效果优异。实验表明，该复合砖在抗氧化性、耐热冲击性和使用寿命方面均显著优于传统镁碳砖，使用寿命平均延长30%以上，减少了更换频率和维护成本，提升了炼钢生产的效率和稳定性。

低碳复合出钢口砖不仅适用于转炉炼钢，还可广泛应用于电炉炼钢和其他高温工业场景，如玻璃窑炉、有色金属冶炼等领域。随着工业技术的发展和环保要求的提高，低碳耐火材料将具有广阔的市场前景，能够为相关行业提供高效、环保的解决方案。

4.结论

通过优化配方和制备工艺，成功研制出一种低碳复合出钢口砖，其在高温和强氧化环境下表现出优异的力学性能和抗氧化性能。具体实验结果表明，与传统高碳镁碳砖相比，低碳复合出钢口砖的使用寿命延长了约30%，未来的研究可以进一步探讨纳米材料在高温环境下的相互作用机制，以及不同添加剂的最佳配比。此外，研究低碳复合出钢口砖在不同钢种炼制中的表现，以期进一步提升其工业应用价值。