《鎂碳磚》

原料

MgO–C磚的主要原料包括電熔鎂砂或燒結(jié)鎂砂、鱗片狀石墨、有機(jī)結(jié)合劑以及抗氧化劑。

鎂砂

鎂砂是生產(chǎn)MgO–C磚的主要原料，有電熔鎂砂和燒結(jié)鎂砂之分。電熔鎂砂與燒結(jié)鎂砂相比具有方鎂石結(jié)晶粒粗大、顆粒體積密度大等優(yōu)點(diǎn)，是生產(chǎn)鎂碳磚中主要選用的原料。生產(chǎn)普通鎂質(zhì)耐火材料，對鎂砂原料要求主要具有高溫強(qiáng)度和耐侵蝕性能,因此注重鎂砂的純度及化學(xué)成分中的C/S比和B2O3含量。隨著冶金工業(yè)的發(fā)展，冶煉條件日益苛刻，在冶金設(shè)備（轉(zhuǎn)爐、電爐、鋼包等）上應(yīng)用的MgO–C磚所用的鎂砂，除了化學(xué)成分外，在組織結(jié)構(gòu)方面，還要求高密度和大結(jié)晶。

碳源

不論是在傳統(tǒng)的MgO-C磚還是在大量使用的低碳MgO-C磚，主要利用鱗片狀石墨作為其碳源。石墨作為生產(chǎn)MgO-C磚的主要原料，主要得益于其優(yōu)良的物理性能：①對爐渣的不濕潤性。②高的導(dǎo)熱性。③低的熱膨脹性。此外，石墨與耐火材料在高溫下不發(fā)生共熔，耐火度高。石墨的純度對MgO-C磚的使用性能影響較大，一般要使用碳含量大于95%，最好是大于98%的石墨。

除石墨外，炭黑也普遍用于鎂碳磚的生產(chǎn)。炭黑是由烴類碳?xì)浠衔锏臒岱纸饣虿煌耆紵频玫木哂懈叨确稚⒌暮谏勰钐假|(zhì)物料，炭黑顆粒細(xì)?。ㄐ∮?μm），比表面積大，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90～99%，純度高，粉末電阻率大，熱穩(wěn)定性高，熱導(dǎo)率較低，屬難石墨化碳。炭黑的加入可有效改善MgO-C磚的抗剝落性，增加殘?zhí)剂?，并提高磚的密度。

結(jié)合劑

生產(chǎn)MgO-C磚常用的結(jié)合劑有煤焦油，煤瀝青和石油瀝青，以及特殊碳質(zhì)樹脂，多元醇，瀝青變性酚醛樹脂，合成樹脂等。所用到的結(jié)合劑有以下幾種類型：

1）瀝青類物質(zhì)。焦油瀝青是一種熱塑性材料，具有與石墨、氧化鎂親和力大，炭化后殘?zhí)悸矢?，成本低的特點(diǎn)，過去曾大量使用；但是焦油瀝青中含有致癌的芳香烴，尤其是苯并茁含量高；由于環(huán)境意識的加強(qiáng)，現(xiàn)在焦油瀝青的使用量在減少。

2）樹脂類物質(zhì)。合成樹脂是由苯酚和甲醛反應(yīng)制得，在常溫下便能和耐火材料顆粒很好的混合，炭化后殘?zhí)悸矢撸钱?dāng)前生產(chǎn)MgO-C磚用主要結(jié)合劑；但它炭化后形成的玻璃態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對耐火材料的抗熱震性和抗氧化性都不理想。

3）在瀝青和樹脂的基礎(chǔ)上，經(jīng)過改性得到的物質(zhì)。如果結(jié)合劑炭化后能形成鑲嵌結(jié)構(gòu)和原位形成碳纖維物質(zhì)，那么這種結(jié)合劑將改善耐火材料的高溫性能。

抗氧化劑

為了提高M(jìn)gO-C磚的抗氧化性，常加入少量的添加劑，常見的添加劑有Si、Al、Mg、Al-Si，Al-Mg，Al-Mg-Ca，Si-Mg-Ca、SiC、B4C、BN和最近報導(dǎo)的Al-B-C和Al-SiC-C系等添加劑[5–7]。 添加劑的作用原理大致可分為兩個方面：一方面是從熱力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，即在工作溫度下，添加物或者添加物和碳反應(yīng)生成其他物質(zhì)，它們與氧的親和力比碳與氧的親和力大，優(yōu)先于碳被氧化從而起到保護(hù)碳的作用；另一方面，即從動力學(xué)的角度來考慮添加劑與O2，CO或者碳反應(yīng)生成的化合物改變碳復(fù)合耐火材料的顯微結(jié)構(gòu)，如增加致密度，堵塞氣孔，阻礙氧及反應(yīng)產(chǎn)物的擴(kuò)散等。

早期鋼包渣線部位使用的耐火材料是直接結(jié)合鎂鉻磚，電熔再結(jié)合鎂鉻磚等優(yōu)質(zhì)堿性磚。MgO-C磚成功在轉(zhuǎn)爐上使用后，精煉鋼包渣線部位也開始使用MgO-C磚，并取得了良好的使用效果。我國和日本一般都使用含碳量為12%～20%的以樹脂結(jié)合的MgO-C磚，而歐洲多采用瀝青結(jié)合的MgO-C磚,含碳量一般在10%左右。

日本住友金屬公司小倉鋼鐵廠在VAD渣線部位使用MgO含量為83%，C含量為14-17%的MgO-C磚代替直接結(jié)合鎂鉻磚，渣線部位的壽命從20次提高到30-32次[9]。日本仙臺鋼鐵廠LF精煉鋼包，利用MgO-C磚代替鎂鉻磚，渣線部位壽命從20-25次提高到40次，取得了不錯效果。大阪窯業(yè)耐火材料公司研究了碳含量，抗氧化劑種類對MgO-C磚抗氧化性，抗渣性及高溫抗折強(qiáng)度的影響。研究認(rèn)為：由電熔鎂砂與燒結(jié)鎂砂組成的混合物，外加15%磷片石墨及少量鎂鋁合金作抗氧化劑制得的MgO-C磚，具有很好的使用效果，在容量為100噸LF鋼包渣線使用，與不含抗氧化劑的C含量為18%的MgO-C磚相比，損毀速率降低20-30%，平均侵蝕速度為1.2-1.3mm/爐 。

我國精煉鋼包渣線磚自從采用MgO-C磚代替鎂鉻磚后，綜合使用效果明顯。寶鋼股份總公司300t鋼包渣線從1989年7月開始使用MT?14A鎂碳磚，渣線壽命保持在100次以上；150T電爐鋼包渣線采用低碳鎂碳磚冶煉簾線鋼，出鋼溫度1600℃～1670℃，取得了明顯效果。

鎂碳磚是以高熔點(diǎn)堿性氧化物氧化鎂（熔點(diǎn)2800℃）和難以被爐渣侵潤的高熔點(diǎn)碳素材料作為原料，添加各種非氧化物添加劑。用炭質(zhì)結(jié)合劑結(jié)合而成的不燒碳復(fù)合耐火材料。鎂碳磚主要用于轉(zhuǎn)爐、交流電弧爐、直流電弧爐的內(nèi)襯，鋼包的渣線等部位。

鎂碳磚作為一種復(fù)合耐火材料，有效地利用了鎂砂的抗渣侵蝕能力強(qiáng)和碳的高導(dǎo)熱性及低膨脹性，補(bǔ)償了鎂砂耐剝落性差的最大缺點(diǎn)。

其主要特點(diǎn)有：具有良好的耐高溫性能，抗渣能力強(qiáng)，抗熱震性好，高溫蠕變低。

按照冷混合工藝用合成焦油結(jié)合劑制造的傳統(tǒng)鎂碳磚在焦油受損過程中發(fā)生硬化并獲得必要的強(qiáng)度，因此便形成了各向同性的玻璃狀碳。此種碳未顯現(xiàn)出熱塑性，在內(nèi)襯烘烤或操作使用過程中該熱塑性能適時地消除大量的應(yīng)力。用瀝青結(jié)合劑生產(chǎn)的鎂碳磚，由于在瀝青碳化過程中形成各向異性的石墨化焦炭結(jié)構(gòu)，該磚具有較高的高溫塑性。

隨著冶煉技術(shù)的進(jìn)步對耐火材料的新要求，傳統(tǒng)鎂碳磚在長期的應(yīng)用實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)有以下幾方面的問題：①由于高熱導(dǎo)率增加熱損耗，使出鋼溫度提高，帶來能耗增加，同時加大了耐火材料的侵蝕等一系列問題；②作為特殊精煉爐的爐襯材料，如在VOD精煉鋼包中冶煉高質(zhì)量潔凈鋼及超低碳鋼時，會引起增碳問題；③消耗大量寶貴的石墨資源。鑒于以上情況，近年來，對精煉鋼包用低碳量、性能優(yōu)異的低碳鎂碳磚的開發(fā)受到國內(nèi)外業(yè)界的重視。

鎂碳磚中碳含量降低引起的主要問題是熱震穩(wěn)定性及抗渣滲透性下降。眾所周知，鎂碳磚中碳含量降低以后，使磚的熱導(dǎo)率下降，彈性模量增大，從而使磚的抗熱震穩(wěn)定性變差。碳含量降低以后，使熔渣及鋼水與材料的潤濕性增強(qiáng)，材料的抗熔渣及鋼水的滲透性變差。

對解決這些問題的認(rèn)識主要包括以下三個方面：①通過改善結(jié)合炭的炭結(jié)構(gòu)提高鎂碳磚的熱震穩(wěn)定性：傳統(tǒng)鎂碳磚的結(jié)合劑多為酚醛樹脂，這種結(jié)合劑炭化以后的炭結(jié)構(gòu)呈各向同性的玻璃態(tài)，所以使鎂碳磚呈脆性，彈性模量高，對制品的熱穩(wěn)定性不利，且制品的高溫強(qiáng)度也低。在酚醛樹脂中引入能石墨化的炭素前軀體后，這種復(fù)合結(jié)合劑在鎂碳磚使用環(huán)境下能炭化成為具有流動狀或鑲嵌狀結(jié)構(gòu)的次生炭，或原位形成納米炭纖維，通過炭結(jié)構(gòu)的改善及納米炭纖維形成的增強(qiáng)作用來提高低碳鎂碳磚的熱震穩(wěn)定性及高溫強(qiáng)度；②優(yōu)化鎂碳磚的基質(zhì)結(jié)構(gòu)：鎂碳磚的熱震穩(wěn)定性及抗渣滲透性主要取決于基質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)，在碳含量大幅度降低的情況下，如何提高骨料顆粒與炭粒子的接觸頻率，即降低炭粒子的尺度并保證其高度分散，是改善低碳鎂碳磚熱震穩(wěn)定性及抗渣滲透性的重要措施之一。通過調(diào)整基質(zhì)配料的粒度組成來控制氣孔的尺寸、形狀和分布，也會對材料的熱導(dǎo)率產(chǎn)生明顯影響；③采用高效抗氧化劑：隨著鎂碳磚中碳含量的降低，對炭的氧化保護(hù)尤為重要，所以采用合適的高效抗氧化劑也是十分必要的 。

鋁鎂碳磚具有抗侵蝕、抗剝落、均衡侵蝕、使用安全、沾鋼沾渣少、拆包容易等優(yōu)點(diǎn)。主要用于使用條件苛到的盛鋼捅內(nèi)襯。在連鑄大型中間包和爐外精煉包的熔池部位和包底部位用鋁鎂碳磚作內(nèi)襯日益增多 。

鋁鎂碳磚的特征是在高溫下除了因含碳具有高耐侵蝕性和不易剝落的優(yōu)點(diǎn)外，還具有因使用時受熱生成尖晶石而顯示出高的殘余線膨脹率的優(yōu)點(diǎn)，因而成為新發(fā)展的優(yōu)質(zhì)襯磚。含Al₂O₃ 60%～69%，MgO 7%～14%，C 5%～12%。它有較好的抗渣侵蝕性和抗熱震性，有微量的重?zé)蛎?。