荷蘭塔塔鋼鐵公司Kinga Klima等發(fā)表在ICR 2025會議上的論文介紹了該公司氫基煉鐵耐火材料方面最新的研究成果。編譯如下：

隨著歐洲鋼鐵生產從使用天然氣轉向使用氫氣，長壽命耐火襯里的設計變得至關重要。但研究材料性能的實驗室環(huán)境通常是純氫氣氛、可控溫度和小尺寸樣品，與實際直接還原工況如氣體成分波動、劇烈溫度梯度和機械應力等相差太大。荷蘭塔塔鋼鐵公司的研究人員以廣泛應用的磷酸鹽結合耐火材料為研究對象，對比研究了實驗室環(huán)境和模擬直接還原工藝氣氛下材料的微觀結構和物相變化，探討這些變化對材料性能的影響機制。

試驗第一步在純H2氣氛中進行實驗室條件下的基準測試，評估磷酸鹽結合與陶瓷結合耐火材料的性能差異；第二步模擬直接還原工藝的簡化氣體氣氛（73 mol% H2/27mol% CO、90mol% H2/10mol% H2O）開展測試，通過質量損失情況評估材料性能下降程度。研究材料分別為耐壓強度和抗熱震性能優(yōu)良的磷酸鹽結合剛玉質和熱穩(wěn)定性優(yōu)異的陶瓷結合剛玉質耐火材料。材料的化學組成及性能見表1。

對兩種材料的立方體試樣進行熱重分析。初始升溫：惰性氣氛（Ar，100 ml·min-1）中，以50 K·min-1的速率從室溫升至950 ℃；二次升溫（見表2）：三種不同氣氛下，還原氣體總流量100 ml·min-1，以2 K·min-1的速率從950 ℃升至1 200 ℃。

兩種試樣（Φ50 mm ×50 mm）置于立式管式爐中，經100 % H2氣氛、1 100 ℃×96 h處理后，用掃描電子顯微鏡和能譜儀分析試樣微觀結構。

分析測試結果發(fā)現(xiàn)，在H2氛中，含剛玉、莫來石及富磷玻璃相的磷酸鹽結合耐火材料，其還原機制與陶瓷結合耐火材料存在顯著差異。初始狀態(tài)時，磷酸鹽結合耐火材料中磷鋁石（AlPO?）晶體、莫來石顆粒與玻璃相（SiO?-Al?O?-P?O?）共存。1100 ℃、H2氣氛下處理后，玻璃相中P?O?含量從最初的10%～20%降至1%以下。玻璃相中的磷會破壞硅酸鹽網絡結構，提高SiO?活性，進而在950 ℃以上H2氣氛中促進其還原反應。材料的質量損失主要是由磷酸鹽揮發(fā)造成，SiO?網絡也會逐漸失穩(wěn)。1000 ℃以上時，特別是在微量鐵的催化作用下，部分SiO?可能發(fā)生還原反應（SiO?+H?→SiO+H?O）。在富莫來石區(qū)域（3Al?O??2SiO?結構遭到破壞的區(qū)域），該過程可能會導致微裂紋和孔隙的產生。隨著磷的流失，磷鋁石會溶解到剩余玻璃相中，直至完全消失。同時，在缺氧條件下，被還原的鐵氧化物與擴散的磷發(fā)生反應，在原玻璃相區(qū)域形成亞微米級磷化鐵（FeP）。與致密的陶瓷結合耐火材料相比，P?O?的損耗會形成富硅玻璃，進而改變其黏度和析晶行為。由于1 300 ℃以下Si-O和Al-O結構能抵抗H?侵蝕，因此陶瓷結合耐火材料可保持結構完整性，質量損失極小，約為0.03%。

在模擬直接還原工藝的氣體氣氛中，磷酸鹽結合材料的損毀情況與氣氛還原能力是一致的，即H2>H2/CO>H2/H2O。在H2氣氛下會導致硅酸鹽結構逐步弱化、磷酸鹽快速流失；H2/CO氣氛下這兩種反應會緩和些；H2/H2O氣氛下，通過維持較高氧勢，可有效抑制上述過程。但這一趨勢僅適用于本研究中所考察的特定氣體成分及混合比例。

試驗得出以下結論：

1、影響磷酸鹽結合耐火材料損毀的主要因素是氣氛成分。H2氣氛測試雖有助于基礎研究，但與工業(yè)實際工況的混合氣體相比，材料損毀速率偏高，試驗中質量損失數(shù)據也驗證了這一點：H2氣氛中為0.32 %，H2/CO混合氣氛中為0.26 %，H2/H2O氣氛中為0.03 %。

2、磷酸鹽結合耐火材料損毀原因包括：硅酸鹽網絡失穩(wěn)、磷鋁礦（AlPO?）溶解及磷酸鹽揮發(fā)。相較于Si-O或Al-O網絡，PO鍵更易被侵蝕，引發(fā)一系列顯微結構變化（如氣孔形成、FeP液滴析出及組成改變），最終導致材料結構完整性受損。

3、可嘗試通過采用更高溫度和壓力的測試方法，對耐火材料進行長期使用性能評估。此外，現(xiàn)代直接還原工藝需通過滲碳達到鋼材的目標碳含量，因此要考慮滲碳過程中含碳氣體帶來的影響，耐火襯里要同時具備耐受H2/H2O氣氛和富碳氣氛的能力。

（編譯/張麗）