随着洁净钢需求量的日趋增加,精炼比例不断上升,钢包工作衬耐火材料面临的服役环境日益苛刻。作为大中型钢包的内衬材料,刚玉-尖晶石质浇注料逐渐暴露出热震稳定性较差、容易剥落、钢包热损失大等一系列问题。近年来,人们虽然从不同角度对刚玉-尖晶石质浇注料的性能进行了优化,但仍然缺乏对各个组成部分系统性的优化研究。为此,本文从骨料的组成及显微结构特征分析、基质组织设计、外加剂的引入等多角度出发,借助于X射线衍射分析、扫描电子显微镜和能谱分析等手段,对刚玉-尖晶石质浇注料的组织结构进行系统优化,并对其热/力学性能的影响进行研究;分析了各优化组分对刚玉-尖晶石质浇注料关键使用性能的影响机理;建立了浇注料中Al-H2O反应的排气通道模型,揭示了金属铝粉的防爆裂作用机理;借助灰色关联理论建立了微气孔孔径分布与刚玉-尖晶石质浇注料第五应力断裂抵抗因子的相关性,研究了微气孔结构参数对其热震稳定性的影响。主要研究结论如下:从骨料显微结构角度出发,基于微孔刚玉具有大量孔径小于1μm的微气孔结构,系统研究了微孔刚玉对刚玉-尖晶石质浇注料性能的影响。结果表明,随着微孔刚玉骨料加入比例的增加,浇注料的强度没有明显降低,体积密度略有下降,显气孔率增大,浇注料导热系数大幅降低。刚玉骨料中的微孔结构缓解了浇注料因热冲击引起裂纹扩展的尖端应力,有效改善了浇注料的热震稳定性。另外,微孔刚玉中微气孔结构可降低熔渣在骨料中的渗透深度以及骨料在熔渣中溶解速率,进而提高了刚玉-尖晶石质浇注料的抗渣侵蚀和渗透性能。从骨料组成角度出发,研究了含10 wt%左右尖晶石相的Al2O3-MA（Mg Al2O4）复相骨料对刚玉-尖晶石质浇注料性能的影响。结果表明,Al2O3-MA复相骨料表面粗糙度较板状刚玉的高,由Al2O3-MA复相骨料替代板状刚玉,浇注料吸水率增加,致密度下降,经中低温热处理后强度均有所降低。由于骨料表面较高的粗糙度有利于高温下骨料与基质之间的烧结结合效果,经1600℃热处理后,浇注料的强度得以提高。骨料浸泡抗渣实验结果表明,与板状刚玉相比,Al2O3-MA复相骨料侵蚀层中的裂纹细而少,遭受熔渣侵蚀后不易剥落。过渡层中形成CA6相和复相尖晶石,形成的CA6致密层阻挡了熔渣侵蚀,尖晶石相吸收熔渣中Fe O、Mn O等物质后,致使熔渣黏度增大、侵蚀作用下降,进而增强骨料的抗渣侵蚀性能。由Al2O3-MA复相骨料替代板状刚玉后,浇注料的侵蚀指数和渗透指数分别由38%降低至34.1%和由80.5%降低至75.6%。从基质组织设计的角度出发,研究了基质中尖晶石的赋存形态及造孔剂对刚玉-尖晶石质浇注料性能的影响。结果表明,含预合成尖晶石细粉、预合成尖晶石微粉和原位生成尖晶石微粉的浇注料热震后的残余抗折强度保持率分别为18.5%、18.7%和22.6%,添加的Al（OH）3微粉发生分解产生微气孔,浇注料中气孔的体积中位径由2.05μm降低至1.22μm,增强了浇注料抑制裂纹扩展的能力,浇注料的残余抗折强度保持率由22.6%提高至24.6%。与预合成尖晶石细粉相比,预合成尖晶石微粉有利于提高浇注料的抗渣侵蚀和渗透性能,其侵蚀和渗透指数分别降低4.6%和11.5%;添加Mg O微粉而原位生成尖晶石有利于提高浇注料的抗渣侵蚀性能,其侵蚀指数降低9.1%,但渗透指数增大9.6%,主要是添加Mg O微粉使得浇注料流动性有所下降,显气孔率升高所致。从外加剂引入角度出发,研究了金属铝粉在刚玉-尖晶石质浇注料中的防爆裂作用机理。结果表明,浇注料抗爆裂性能主要与其断裂能和透气度有关。金属铝粉可提升浇注料透气度,其主要原理在于金属铝粉与浇注料中的水反应生成的氢气溢出而产生排气通道,而该排气通道的形成过程又受到Al-H2O反应产生气体的进程和浇注料的硬化进程所制约。通过排气通道形成模型分析可知,在大量气体产生阶段和浇注料开始及加速硬化阶段相重叠的时间内,浇注料硬化的同时气体逐渐排出,排气通道随即形成。这个重叠时间持续的长短决定了浇注料中形成排气通道的数量,即浇注料透气性的优劣。当添加0.075%的100目金属铝粉时,上述重叠时间最长,达230 min,刚玉-尖晶石质浇注料的透气度最大,达22×1016/m2。同时浇注料的断裂能也较大,达525 J/m2,使得刚玉-尖晶石质浇注料的抗爆裂性能达到最佳。借助灰色关联理论分析了刚玉-尖晶石浇注料孔径分布区间与热震稳定性能之间的关联性。研究结果表明,采用第五热应力断裂抵抗因子R’’’’能够很好地反映刚玉-尖晶石浇注料的热震稳定性。试样经过1100℃保温3 h热处理后,孔径范围在<0.2μm和0.2～0.5μm之间的气孔孔容与R’’’’的关联度最大,分别为0.8652和0.8645,说明孔径在<0.2μm和0.2～0.5μm之间的气孔对热震稳定性能影响程度最为显著。试样经过1600℃保温3 h热处理后,孔径范围在<0.2μm的气孔孔容与R’’’’的关联度最大,为0.9293,说明孔径在<0.2μm的气孔对热震稳定性能影响最为显著。