由于具有優(yōu)異的抗渣侵蝕性和抗熱震性，含石墨的不定形耐火材料成為二次精煉過(guò)程中鋼包襯里的理想候選材料。制備含石墨不定形耐火材料面臨的挑戰(zhàn)之一是石墨對(duì)水的潤(rùn)濕性差。為了達(dá)到與傳統(tǒng)不定形耐火材料相同的可施工性，在混合過(guò)程中必須添加更多的水。然而，這些多余的水增加了干燥后耐火材料的氣孔率，影響最終產(chǎn)品的機(jī)械性能。日本的研究人員研究了降低石墨與水之間界面張力的方法，并系統(tǒng)研究了所選石墨的添加量對(duì)鋁鎂碳不定形耐火材料的力學(xué)性能、抗渣性和抗熱震性的影響。

首先研究了表面改性對(duì)兩種鱗片石墨（典型性能如表1所示）潤(rùn)濕性的影響。采用氧等離子體處理和溶膠涂層技術(shù)對(duì)石墨表面進(jìn)行改性。氧等離子體處理：將250 g鱗片石墨用氧等離子體處理20 min，通過(guò)增加石墨表面親水性官能團(tuán)（羧基、羰基、環(huán)氧化物基等）的濃度來(lái)活化表面并增強(qiáng)潤(rùn)濕性。溶膠涂層處理：將石墨與稀釋的親水性納米氧化鋁溶膠（AS-200，? 5-7 nm，pH 4-6，固含量10%）混合均勻。然后將混合物置于真空容器中15 min，以促進(jìn)溶膠滲透并消除氣泡，然后在110 ℃下干燥3 h，形成均勻穩(wěn)定的涂層。

研究石墨的潤(rùn)濕性：測(cè)量固定于玻璃基底上的石墨表面與2 μL蒸餾水液滴之間的接觸角。為分析石墨潤(rùn)濕性差異的原因，采用XPS和SEM分別檢測(cè)了石墨表面的結(jié)合狀態(tài)和微觀形貌特征。

石墨的接觸角測(cè)量結(jié)果（如圖1所示）表明：石墨B與水的接觸角小于石墨A的，表明石墨B的水潤(rùn)濕性更好；等離子體處理后的兩種石墨與水的接觸角顯著減小，表明潤(rùn)濕性得到明顯改善。

圖1  接觸角測(cè)量結(jié)果

石墨顯微結(jié)構(gòu)SEM照片顯示石墨A主要由鱗片顆粒組成；石墨B為鱗片狀和柱狀顆粒的混合形態(tài)，且其平均粒徑大于石墨A的。石墨B的柱狀結(jié)構(gòu)和粒徑較大這些特點(diǎn)表明其活性點(diǎn)或親水官能團(tuán)的濃度較高，使其親水性更好。為了進(jìn)一步研究石墨的表面化學(xué)性能，對(duì)未經(jīng)處理的石墨A以及經(jīng)等離子體處理的石墨A進(jìn)行了XPS分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，等離子體處理后，其親水性含氧基團(tuán)（C-O、C=O、C-OH）的相對(duì)量略有增加，而C=C和C-C官能團(tuán)的量基本保持不變，表明等離子體處理可以提高石墨的潤(rùn)濕性?？紤]到性能和處理成本之間的平衡，選擇未處理的石墨B作為鋁鎂碳耐火材料的碳源進(jìn)行進(jìn)一步研究。

根據(jù)表2制備鋁鎂碳不定形耐火材料試樣，原料按配比混合后，一部分混合料用于測(cè)定澆注料的流動(dòng)特性，另一部分澆注到指定的模具中制備成尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的試樣，在20 ℃下養(yǎng)護(hù)24 h脫模。澆注成形試樣干燥后在1 400 ℃埋焦炭熱處理3 h。測(cè)定熱處理后試樣的顯氣孔率和彈性模量?？乖囼?yàn)：將熱處理后（1 400 ℃ 保溫3 h，埋焦炭）的試樣在1 650 ℃下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)抗渣侵蝕試驗(yàn)1 h，侵蝕劑為配制的典型煉鋼爐渣（CaO/SiO2=4.2，T.Fe含量17.4%）?？篃嵴鹦栽囼?yàn)：將試樣加熱至1 400 ℃，并保溫15 min，然后水冷10 min。測(cè)量熱震前（E0）后（E1）動(dòng)態(tài)彈性模量，并將E1/E0的比值用作抗熱震性的指標(biāo)。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：隨著石墨含量的增加，澆注料的流動(dòng)性降低，試樣的顯氣孔率升高，彈性模量降低。旋轉(zhuǎn)抗渣侵蝕試驗(yàn)結(jié)果顯示，添加石墨試樣的渣粘附層厚度小于未加石墨的試樣，說(shuō)明添加石墨可以改善抗渣侵蝕性。不同含量石墨的黏附層厚度幾乎相似，但是渣滲透厚度隨著石墨含量增加而增加，原因是隨著石墨含量增加，澆注料的需水量增加引起的顯氣孔率升高所致?？篃嵴鹪囼?yàn)結(jié)果顯示，隨著石墨加入量的增加，抗熱震性提高，盡管添加石墨導(dǎo)致試樣的機(jī)械強(qiáng)度降低，但可以提高試樣的整體導(dǎo)熱性和抗熱震性。

綜合以上研究發(fā)現(xiàn)，與石墨A相比，石墨B表現(xiàn)出更好的潤(rùn)濕性。在鋁碳碳澆注料中添加石墨B，隨著石墨含量的增加，將需要額外的水達(dá)到所要求的的流動(dòng)性，導(dǎo)致顯氣孔率升高。此外，隨著石墨含量的增加，彈性模量減小，抗熱震性提高。

（趙瑞編譯自《UNITECR2025會(huì)議文集》）