从黏土砖到功能化材料：中国钢包耐火材料的技术迭代全景

钢包，作为承载和精炼钢水核心功能的冶金容器，其内衬耐火材料的技术水平，直接决定了炼钢流程的效率、成本与最终产品质量。回顾中国钢铁工业的发展史，钢包用耐火材料的演进历程，如同一面镜子，清晰地折射出我国炼钢技术从追赶到引领的非凡征程。其发展脉络大致可分为几个关键阶段，由基础的硅酸铝质材料，逐步迭代至性能卓越的铝镁质、镁质及功能化耐火材料。

让我们一同梳理这条技术路线，探寻其背后的驱动力与材料科学的内在逻辑。

表1：我国钢包用耐火材料主要类别与品种演变

一、奠基时代：硅酸铝质材料的探索与局限

1. 黏土砖：时代的开创者

在20世纪50至70年代，黏土砖凭借其低廉的成本，成为我国钢包内衬的绝对主力，为建国初期炼钢工业的恢复与发展立下了汗马功劳。这类材料以Al₂O₃ (约44%) 和SiO₂ (约52%) 为主要化学成分，显气孔率在16% ~ 18%，常温耐压强度为54.9~96.0 MPa。然而，随着炼钢技术的进步，黏土砖寿命短的瓶颈日益凸显，逐渐退出了历史舞台。

2. 高铝砖：性能的第一次飞跃

从60年代末开始，为应对日益增长的钢产量与质量要求，以高铝砖为代表的升级换代拉开序幕。高铝砖的Al₂O₃含量显著提升，直接带来了包龄的大幅延长。例如，武钢270t钢包在60年代末改用二等高铝砖后，包龄即达到黏土砖的2.5倍。到了80年代，采用Al₂O₃含量>72%高铝砖的70t钢包，包龄已达34次。宝钢300t钢包在使用一等高铝砖后，平均包龄稳定在50次左右。

特别是在连铸技术普及后，钢水在钢包内停留时间延长，热循环更频繁，对耐材的考验空前严峻。为此，宝钢与耐材企业合作开发的微膨胀高铝砖，通过控制材料在使用过程中的微观结构变化，有效抵抗了结构剥落，使平均包龄跃升至80次以上，最高记录达122次，这标志着硅酸铝质材料的性能挖掘已趋于极致。

3. 不定形材料的初步尝试：高铝捣打料与蜡石砖

70年代，高铝捣打料和蜡石砖作为新的探索方向出现。高铝捣打料采用优质高铝矾土熟料与磷酸结合剂，通过整体捣打施工，实现了无砖缝的整体内衬，提升了使用寿命。

蜡石砖则以叶蜡石为主要原料，其SiO₂含量高（约79%），在部分钢厂的试用中表现优于同期的黏土砖和三等高铝砖。然而，由于不同钢厂使用条件的差异（如武钢试用效果不佳）以及其他复杂因素，蜡石砖最终未能在国内得到广泛应用，成为了技术发展路径上的一个插曲。

二、革新浪潮：铝镁(炭)质材料的崛起与精进

进入20世纪80年代，连铸和炉外精炼（LF, RH等）技术的全面铺开，对钢包内衬提出了革命性的要求：不仅要耐高温、耐冲刷，更要能抵抗精炼渣的强力化学侵蚀。传统的硅酸铝质材料已难堪重任，一个全新的材料体系——铝镁(炭)质耐火材料应运而生。

这类材料的核心优势在于，其配方中的Al₂O₃和MgO在高温下原位反应，生成化学稳定性与热震稳定性俱佳的**镁铝尖晶石（MgAl₂O₄）**矿物相。这一微观结构的转变，极大地提升了材料的抗侵蚀和抗剥落性能，开启了钢包长寿化的新篇章。

1. 从捣打料到浇注料：不定形技术的成熟

铝镁捣打料是这一变革的先锋。80年代初，由洛耐所、鞍钢等单位联合开发的铝镁捣打料，在鞍钢200t钢包上将寿命提升至黏土砖的5-7倍，平均包龄高达85次。

紧随其后，铝镁浇注料以其施工便捷、性能优异的特点迅速普及。通过采用高铝矾土熟料、烧结镁砂与水玻璃结合剂，浇注料实现了内衬的快速整体构筑。在“七五”期间，钢包整体浇注技术被列为冶金部重点推广项目，到1987年，全国多数中小型钢包已完成浇注化改造，包龄普遍达到40-60次，显著降低了吨钢耐材消耗和生产成本。

2. 尖晶石与碳的引入：性能的再强化

随着技术的深入，简单的铝镁体系也在不断优化升级：

• • 铝镁尖晶石浇注料：90年代初，随着合成镁铝尖晶石原料的国产化，直接在浇注料中预添加一定比例的尖晶石成为可能。这种“预合成”尖晶石的加入，进一步优化了材料的基质结构，使其抗侵蚀和抗剥落性能优于传统铝镁浇注料。应用数据显示，改用尖晶石浇注料后，包龄普遍能提升1-3倍之多。

• • 铝镁炭砖：为适应高效连铸的需求，在铝镁体系中引入“碳”元素成为关键一步。石墨的引入，显著改善了材料的抗渣侵蚀能力和抗热震性。90年代中期，以宝钢、鞍钢、攀钢为代表的各大钢厂，通过应用铝镁炭砖，将连铸钢包的平均寿命从几十次一举提升至80-100次，宝钢300t钢包的最高寿命更是达到了126次。

• • 铝镁尖晶石炭砖：这是在铝镁炭砖基础上的再次升级。通过协同引入“预合成尖晶石”和“碳”，材料的综合性能得到进一步提升。宝钢300t钢包使用该材料后，平均寿命突破100次，最高达到200次，实现了包龄的又一次飞跃。

3. 面向洁净钢：高档与无碳化之路

然而，含碳耐材在服役过程中会向钢水渗碳，这对于低碳、超低碳及高品质洁净钢的冶炼是不可接受的。这一新的挑战催生了新一代不含碳或低碳的铝镁质材料。

• • 高档铝镁不烧砖（无碳砖）：相较于早期的水玻璃结合不烧砖，这是一次质的飞跃。其采用高纯刚玉、高纯电熔镁砂和高纯尖晶石为原料，并使用高性能复合结合剂，彻底摆脱了碳的影响。其实际使用寿命不仅不输于铝镁炭砖，甚至在某些工况下超越了后者。鞍钢200t钢包应用该材料后，包龄稳定在110次以上。

• • 高档铝镁(尖晶石)浇注料：同样基于高纯原料（刚玉、高纯镁砂、高纯尖晶石）和先进结合剂体系（纯铝酸钙水泥、微粉等），高档浇注料将不定形材料的性能推向了新高度。宝钢300t钢包从1996年开始试用，到2000年平均寿命已达惊人的258次。首钢、鞍钢等也通过使用该类浇注料或其预制块，实现了130-150次的高包龄。

这些高档耐火材料的研发和应用，不仅依赖于配方设计的创新，更对原材料的纯度控制、粒度分布和微观结构提出了极其苛刻的要求。因此，精确的理化性能分析与质量控制，成为确保其最终使用效果的基石。如果您在实际工作中也面临类似的先进陶瓷或耐火材料性能表征挑战，我们非常乐意与您一同探讨解决方案。

精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测耐火材料理化性能，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636

表2：部分铝镁(炭)质耐火材料理化指标参考

三、专攻与功能化：碱性材料的精细应用

随着精炼工艺的细化，钢包不同部位的损毁机制呈现出巨大差异，尤其是渣线部位，其受到的化学侵蚀最为剧烈。由此，分区砌筑、功能互补的理念开始盛行。

1. 镁炭砖：渣线的坚固盾牌

镁炭砖以其卓越的抗渣侵蚀性和抗剥落性，成为渣线部位的专用材料。其典型理化指标为 MgO 77.4%、C 16.75%，显气孔率极低（3.1%）。自80年代起，武钢、宝钢等企业率先在钢包渣线应用镁炭砖，成功将渣线寿命提升至100次以上。针对洁净钢冶炼中的增碳问题，低碳镁炭砖（C<5%~7%）也相继被开发出来，在不牺牲太多寿命的前提下，有效控制了钢水增碳。

2. 镁钙(炭)质：兼具净化功能的耐材

镁钙质耐火材料是另一大重要分支。它不仅抗高碱度渣性能优异，其含有的游离CaO更具备脱氧、脱硫、吸附夹杂物等净化钢水的功能，是实现“功能化耐火材料”理念的典范。

• • 从80年代初太钢的白云石捣打料开始，到90年代洛耐院开发的不烧镁钙砖，该体系在提升包龄的同时，还能显著降低钢水中的氧含量。

• • 进入21世纪，不烧镁钙炭砖的开发，将包壁寿命进一步提升。首钢在225t钢包非渣线部位使用该材料，平均寿命达到116.8次，比原铝镁炭砖提高近40次，且钢水洁净度得到改善。

3. 锆质砖：高端应用探索

锆质砖以其极高的耐火度和抗侵蚀性，代表了钢包耐材的另一个高端方向。80年代末，宝钢曾使用进口锆质砖，平均寿命达90次。国内也成功研制出国产锆质砖（ZrO₂ >60%），在试用中取得了接近进口产品的优异效果，但因成本等因素未大规模推广。

从黏土砖到高档浇注料，从单一材质到分区功能化，中国钢包耐火材料的发展之路，是一条由市场需求牵引、技术创新驱动、材料科学支撑的迭代之路。每一次材料的升级，都伴随着对微观结构、物相组成和服役行为更深刻的理解，这也正是耐火材料研究的魅力所在。