由于具有优异的抗渣侵蚀性和抗热震性，含石墨的不定形耐火材料成为二次精炼过程中钢包衬里的理想候选材料。制备含石墨不定形耐火材料面临的挑战之一是石墨对水的润湿性差。为了达到与传统不定形耐火材料相同的可施工性，在混合过程中必须添加更多的水。然而，这些多余的水增加了干燥后耐火材料的气孔率，影响最终产品的机械性能。日本的研究人员研究了降低石墨与水之间界面张力的方法，并系统研究了所选石墨的添加量对铝镁碳不定形耐火材料的力学性能、抗渣性和抗热震性的影响。

首先研究了表面改性对两种鳞片石墨（典型性能如表1所示）润湿性的影响。采用氧等离子体处理和溶胶涂层技术对石墨表面进行改性。氧等离子体处理：将250 g鳞片石墨用氧等离子体处理20 min，通过增加石墨表面亲水性官能团（羧基、羰基、环氧化物基等）的浓度来活化表面并增强润湿性。溶胶涂层处理：将石墨与稀释的亲水性纳米氧化铝溶胶（AS-200，ϕ 5-7 nm，pH 4-6，固含量10%）混合均匀。然后将混合物置于真空容器中15 min，以促进溶胶渗透并消除气泡，然后在110 ℃下干燥3 h，形成均匀稳定的涂层。

研究石墨的润湿性：测量固定于玻璃基底上的石墨表面与2 μL蒸馏水液滴之间的接触角。为分析石墨润湿性差异的原因，采用XPS和SEM分别检测了石墨表面的结合状态和微观形貌特征。

石墨的接触角测量结果（如图1所示）表明：石墨B与水的接触角小于石墨A的，表明石墨B的水润湿性更好；等离子体处理后的两种石墨与水的接触角显著减小，表明润湿性得到明显改善。

图1  接触角测量结果

石墨显微结构SEM照片显示石墨A主要由鳞片颗粒组成；石墨B为鳞片状和柱状颗粒的混合形态，且其平均粒径大于石墨A的。石墨B的柱状结构和粒径较大这些特点表明其活性点或亲水官能团的浓度较高，使其亲水性更好。为了进一步研究石墨的表面化学性能，对未经处理的石墨A以及经等离子体处理的石墨A进行了XPS分析。结果发现，等离子体处理后，其亲水性含氧基团（C-O、C=O、C-OH）的相对量略有增加，而C=C和C-C官能团的量基本保持不变，表明等离子体处理可以提高石墨的润湿性。考虑到性能和处理成本之间的平衡，选择未处理的石墨B作为铝镁碳耐火材料的碳源进行进一步研究。

根据表2制备铝镁碳不定形耐火材料试样，原料按配比混合后，一部分混合料用于测定浇注料的流动特性，另一部分浇注到指定的模具中制备成尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的试样，在20 ℃下养护24 h脱模。浇注成形试样干燥后在1 400 ℃埋焦炭热处理3 h。测定热处理后试样的显气孔率和弹性模量。抗渣试验：将热处理后（1 400 ℃ 保温3 h，埋焦炭）的试样在1 650 ℃下进行旋转抗渣侵蚀试验1 h，侵蚀剂为配制的典型炼钢炉渣（CaO/SiO2=4.2，T.Fe含量17.4%）。抗热震性试验：将试样加热至1 400 ℃，并保温15 min，然后水冷10 min。测量热震前（E0）后（E1）动态弹性模量，并将E1/E0的比值用作抗热震性的指标。

试验结果显示：随着石墨含量的增加，浇注料的流动性降低，试样的显气孔率升高，弹性模量降低。旋转抗渣侵蚀试验结果显示，添加石墨试样的渣粘附层厚度小于未加石墨的试样，说明添加石墨可以改善抗渣侵蚀性。不同含量石墨的黏附层厚度几乎相似，但是渣渗透厚度随着石墨含量增加而增加，原因是随着石墨含量增加，浇注料的需水量增加引起的显气孔率升高所致。抗热震试验结果显示，随着石墨加入量的增加，抗热震性提高，尽管添加石墨导致试样的机械强度降低，但可以提高试样的整体导热性和抗热震性。

综合以上研究发现，与石墨A相比，石墨B表现出更好的润湿性。在铝碳碳浇注料中添加石墨B，随着石墨含量的增加，将需要额外的水达到所要求的的流动性，导致显气孔率升高。此外，随着石墨含量的增加，弹性模量减小，抗热震性提高。

（赵瑞编译自《UNITECR2025会议文集》）