为避免对钢水的增碳，洁净钢生产用Al₂O₃-C质耐火材料正向低碳化和无碳化发展。但若大幅度降低Al₂O₃-C质耐火材料中的碳含量，必然导致材料热震稳定性和抗侵蚀性的降低。因此，如何保证Al₂O₃-C质耐火材料降碳而性能不降低是目前研究的热点。鉴于ZrO₂和氮化物具有抗侵蚀性好、热震稳定性高等特点，本课题拟采取在Al₂O₃-C质耐火材料中同时引入ZrO₂和氮化物的思路，研究ZrO₂-氮化物引入方式对Al₂O₃-C质耐火材料组成、结构与性能的影响，尝试开发洁净钢冶炼用低碳Al₂O₃-C质耐火材料。目前，在Al₂O₃-C质耐火材料中引入用天然原料锆英石通过碳热还原氮化技术制备ZrO₂-氮化物复合粉体的研究已有报道：ZrO₂-氮化物复合粉体的引入可实现Al₂O₃-C质耐火材料降低碳含量而性能不下降的目的。本课题针对引入ZrO₂-氮化物复合粉体存在过程复杂、热处理温度高的问题，提出了通过添加锆英石利用原位碳热还原氮化技术引入ZrO₂-氮化物的新思路。在对锆英石碳热还原氮化反应进行热力学分析的基础上，以锆英石细粉（-320目）为原料，在工业氮化炉中用碳热还原氮化法批量合成了ZrO₂-氮化物复合粉体。以板状刚玉为骨料，板状刚玉细粉、α-Al2O3微粉、金属Al粉、单质Si粉、炭黑、鳞片状石墨、B4C、ZrO₂-氮化物复合粉体和锆英石细粉为基质，制备了低碳Al₂O₃-C质耐火材料。分别研究了ZrO₂-氮化物复合粉体和锆英石加入量为0%、3%、5%和7%时对材料性能、组成和结构影响。此外，研究了热处理温度和热处理气氛对添加5%ZrO₂-氮化物复合粉体的Al₂O₃-C质耐火材料主要性能的影响。热力学分析表明：锆英石碳热还原氮化反应时，产物相的稳定存在区域与反应温度、炉内的CO分压以及配碳量等因素相关。通过合理控制这些因素，可以获得组成分别为ZrO₂-Si₂N₂O、ZrN-Si₂N₂O、ZrN-Si₃N₄等的复合材料。在工业氮化炉中批量合成的ZrO₂-氮化物复合粉体中m-ZrO₂和氮化物的相对含量分别为40-50%和50%，其中氮化物的物相组成主要有：Zr₇O₈N₄（10-20%）、Si₂N₂O（20%）和ZrN（10%）。加入ZrO₂-氮化物复合粉体后，Al₂O₃-C质耐火材料试样的抗氧化性和热震稳定性得到了显著提高，但试样的热态抗折强度先保持不变后略有降低。随着复合粉体加入量的增加，试样的永久线变化率、常温耐压强度、常温抗折强度都得到了不同程度的改善，且当复合粉体加入量为5%时综合性能达到最优。引入5%的ZrO₂-氮化物复合粉体时，降低Al₂O₃-C质耐火材料的热处理温度，改变热处理气氛对性能的影响不大。添加锆英石并经1500℃碳热还原氮化热处理后，Al₂O₃-C质耐火材料中原位生成了预期的ZrO₂-氮化物。随着锆英石加入量的增大，Al₂O₃-C质耐火材料试样的抗氧化性得到了显著提高，氧化层厚度从不加的7.94mm降到加入量为5%时的2.71mm；热态抗折在锆英石加入量为5%时达到最大值15MPa，残余强度保持率随着锆英石加入量的变化呈逐渐上升趋势，显气孔率和体积密度变化不大，常温抗折和常温耐压强度呈上升趋势。本工作的开展，可望为ZrO₂-氮化物复合粉体的合成和低碳Al₂O₃-C耐火材料的开发提供依据，为洁净钢用低碳耐火材料提供新思路。