荷兰塔塔钢铁公司Kinga Klima等发表在ICR 2025会议上的论文介绍了该公司氢基炼铁耐火材料方面最新的研究成果。编译如下：

随着欧洲钢铁生产从使用天然气转向使用氢气，长寿命耐火衬里的设计变得至关重要。但研究材料性能的实验室环境通常是纯氢气氛、可控温度和小尺寸样品，与实际直接还原工况如气体成分波动、剧烈温度梯度和机械应力等相差太大。荷兰塔塔钢铁公司的研究人员以广泛应用的磷酸盐结合耐火材料为研究对象，对比研究了实验室环境和模拟直接还原工艺气氛下材料的微观结构和物相变化，探讨这些变化对材料性能的影响机制。

试验第一步在纯H2气氛中进行实验室条件下的基准测试，评估磷酸盐结合与陶瓷结合耐火材料的性能差异；第二步模拟直接还原工艺的简化气体气氛（73 mol% H2/27mol% CO、90mol% H2/10mol% H2O）开展测试，通过质量损失情况评估材料性能下降程度。研究材料分别为耐压强度和抗热震性能优良的磷酸盐结合刚玉质和热稳定性优异的陶瓷结合刚玉质耐火材料。材料的化学组成及性能见表1。

对两种材料的立方体试样进行热重分析。初始升温：惰性气氛（Ar，100 ml·min-1）中，以50 K·min-1的速率从室温升至950 ℃；二次升温（见表2）：三种不同气氛下，还原气体总流量100 ml·min-1，以2 K·min-1的速率从950 ℃升至1 200 ℃。

两种试样（Φ50 mm ×50 mm）置于立式管式炉中，经100 % H2气氛、1 100 ℃×96 h处理后，用扫描电子显微镜和能谱仪分析试样微观结构。

分析测试结果发现，在H2氛中，含刚玉、莫来石及富磷玻璃相的磷酸盐结合耐火材料，其还原机制与陶瓷结合耐火材料存在显著差异。初始状态时，磷酸盐结合耐火材料中磷铝石（AlPO₄）晶体、莫来石颗粒与玻璃相（SiO₂-Al₂O₃-P₂O₅）共存。1100 ℃、H2气氛下处理后，玻璃相中P₂O₅含量从最初的10%～20%降至1%以下。玻璃相中的磷会破坏硅酸盐网络结构，提高SiO₂活性，进而在950 ℃以上H2气氛中促进其还原反应。材料的质量损失主要是由磷酸盐挥发造成，SiO₂网络也会逐渐失稳。1000 ℃以上时，特别是在微量铁的催化作用下，部分SiO₂可能发生还原反应（SiO₂+H₂→SiO+H₂O）。在富莫来石区域（3Al₂O₃・2SiO₂结构遭到破坏的区域），该过程可能会导致微裂纹和孔隙的产生。随着磷的流失，磷铝石会溶解到剩余玻璃相中，直至完全消失。同时，在缺氧条件下，被还原的铁氧化物与扩散的磷发生反应，在原玻璃相区域形成亚微米级磷化铁（FeP）。与致密的陶瓷结合耐火材料相比，P₂O₅的损耗会形成富硅玻璃，进而改变其黏度和析晶行为。由于1 300 ℃以下Si-O和Al-O结构能抵抗H₂侵蚀，因此陶瓷结合耐火材料可保持结构完整性，质量损失极小，约为0.03%。

在模拟直接还原工艺的气体气氛中，磷酸盐结合材料的损毁情况与气氛还原能力是一致的，即H2>H2/CO>H2/H2O。在H2气氛下会导致硅酸盐结构逐步弱化、磷酸盐快速流失；H2/CO气氛下这两种反应会缓和些；H2/H2O气氛下，通过维持较高氧势，可有效抑制上述过程。但这一趋势仅适用于本研究中所考察的特定气体成分及混合比例。

试验得出以下结论：

1、影响磷酸盐结合耐火材料损毁的主要因素是气氛成分。H2气氛测试虽有助于基础研究，但与工业实际工况的混合气体相比，材料损毁速率偏高，试验中质量损失数据也验证了这一点：H2气氛中为0.32 %，H2/CO混合气氛中为0.26 %，H2/H2O气氛中为0.03 %。

2、磷酸盐结合耐火材料损毁原因包括：硅酸盐网络失稳、磷铝矿（AlPO₄）溶解及磷酸盐挥发。相较于Si-O或Al-O网络，PO键更易被侵蚀，引发一系列显微结构变化（如气孔形成、FeP液滴析出及组成改变），最终导致材料结构完整性受损。

3、可尝试通过采用更高温度和压力的测试方法，对耐火材料进行长期使用性能评估。此外，现代直接还原工艺需通过渗碳达到钢材的目标碳含量，因此要考虑渗碳过程中含碳气体带来的影响，耐火衬里要同时具备耐受H2/H2O气氛和富碳气氛的能力。

（编译/张丽）