鎂碳耐火材料一般多用于轉(zhuǎn)爐爐襯，鋼包渣線等部位，其低碳的鎂碳磚可以有效的降低對(duì)鋼水滲碳量，緩解鋼水脫碳的壓力，鎂碳磚的抗熱震性影響著材料表面和內(nèi)部產(chǎn)生裂紋和縫隙，提高抗熱震性可以有效的減少，我們來(lái)看下如何提高低碳鎂碳磚的抗熱震性。

 

 

抗熱震性差的耐火材料會(huì)因溫度變化導(dǎo)致材料表面和內(nèi)部產(chǎn)生裂紋和縫隙，并且經(jīng)鋼液沖刷后會(huì)加劇裂紋的擴(kuò)張。經(jīng)多次沖刷后耐火材料損毀就停工更換，影響生產(chǎn)。耐火材料中的熱應(yīng)力起因有二:一是耐火材料表面與內(nèi)部存在較大的溫度梯度;二是耐火材料中各相的熱膨脹系數(shù)不同。提升材料抗熱震性的方法可以是在材料表面和內(nèi)部制造微裂紋，利用微裂紋增韌性質(zhì)中和熱應(yīng)力;或者引入陶瓷相，提高材料整體強(qiáng)度，降低整體熱膨脹率;或者引入低熔點(diǎn)玻璃相，在高溫下玻璃相熔融可以分散熱應(yīng)力，但是引入玻璃相會(huì)使材料強(qiáng)度和致密性下降，一般很少使用。

 

 

鎂碳材料一般以鱗石墨為碳源，具有導(dǎo)熱性好、熱膨脹率低的優(yōu)點(diǎn)。石墨在鎂碳材料中起到封閉氣孔、阻止熔渣侵蝕等作用。此外，石墨還可以潤(rùn)滑鎂砂粒子表面，減少壓制過(guò)程中大粒子的損傷。鎂碳材料中碳含量的變化直接影響材料的彈性模量、耐壓強(qiáng)度、耐熱震性、耐渣侵蝕性等重要性能。對(duì)于低碳鎂碳材料，碳含量的降低必然會(huì)降低材料的物理性能。為了使低碳鎂碳材料具有良好的性能，對(duì)石墨分布是否均勻、石墨純度下限、石墨粒度下限有更高的要求。

 

低碳鎂碳材料的耐熱震性與含碳量的關(guān)系接近線性關(guān)系。隨著碳含量的降低，抗折強(qiáng)度和彎曲模量的提高，抗熱震性顯著降低。將鱗片石墨替換成人工石墨粒子或納米碳后，耐熱震性明顯提高。研究發(fā)現(xiàn)，添加人造石墨的樣品在1400℃熱處理后的熱膨脹率明顯下降。這表明人造石墨可以在一定程度上降低整個(gè)材料的導(dǎo)熱率和各向異性，從而提高材料的耐熱震性。在入不同納米碳低碳鎂碳樣品，含碳納米管和納米碳黑對(duì)低碳鎂碳的耐熱震性明顯提高。納米膨脹石墨對(duì)抗熱震性有負(fù)面影響，但高溫處理后，在材料內(nèi)部的原位生成Al3C4陶瓷相，發(fā)揮強(qiáng)化作用。石墨粒度的大小也會(huì)影響抗熱震性。

 

石墨粒度越細(xì)，材料中的分散度越高，耐熱震性越好。但是，石墨粒度減少會(huì)降低材料的抗氧化能力，需要添加抗氧化劑。石墨粒度減小可有效阻礙鎂砂間的燒結(jié)反應(yīng)，降低彈性模量。用納米碳替換傳統(tǒng)鱗片石墨是提高低碳鎂碳材料耐熱震性的常用方法。納米炭黑具有極小的粒徑，具有納米材料獨(dú)特的納米效應(yīng)。納米炭黑加入鎂碳材料可以改善材料的韌性，提高材料的強(qiáng)度。

 

將納米炭黑混入酚醛樹(shù)脂中加入鎂碳材料，納米炭黑促進(jìn)樹(shù)脂固化，提高材料力學(xué)強(qiáng)度和耐熱震性。但是，過(guò)量加入納米炭黑會(huì)使樹(shù)脂流動(dòng)性變差，在固化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很多氣孔，反而會(huì)降低力學(xué)性能。樹(shù)脂加入量為4%(w)，納米石墨占樹(shù)脂質(zhì)量的5%，鎂碳材料的高溫力學(xué)性能和耐熱震性提高。唐光盛等對(duì)比亞微米級(jí)炭黑和納米炭黑對(duì)低碳鎂碳材料的影響，發(fā)現(xiàn)只有納米炭黑才能提高低碳鎂碳材料的耐熱震性。這是因?yàn)橹挥屑{米級(jí)顆粒才能平衡熱應(yīng)力，阻止裂紋的擴(kuò)大。在試驗(yàn)中加入0.4%(w)納米炭黑的低碳鎂碳材料的耐熱震性比肩碳含量16%(w)的傳統(tǒng)鎂碳材料高。除納米炭黑外，還有納米石墨、碳納米管等納米炭，功能類(lèi)似納米炭黑，可吸收斷裂能力，平衡擴(kuò)散應(yīng)力。碳纖維也是常用的增韌材料，具有導(dǎo)熱率高、耐沖擊性強(qiáng)等特點(diǎn)。

將碳纖維添加到低碳鎂碳材料中。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碳纖維加入量為2.5%(w)時(shí)，經(jīng)過(guò)高溫處理的低碳鎂碳材料的高溫強(qiáng)度和抗熱震性能明顯提高。但碳纖維加入量為5%(W)時(shí)，高溫強(qiáng)度和抗熱震性能急劇下降。也許是因?yàn)樘祭w維加入過(guò)多會(huì)影響低碳鎂碳材料的抗氧化能力。另外，碳纖維的添加量過(guò)多的話，碳纖維會(huì)團(tuán)聚，影響材料的分散性。納米碳操作簡(jiǎn)單，但原料混合要求大，混合不均勻會(huì)引起團(tuán)聚現(xiàn)象，影響材料性能。因此，學(xué)者通過(guò)原位合成納米碳和陶瓷相來(lái)提高低碳鎂碳材料的性能。Zhu等利用Ni催化原位生成納米碳，制備了低碳鎂碳材料。研究發(fā)現(xiàn)Ni的加入不會(huì)影響晶相變化，適量的Al粉的加入可以在高溫?zé)Y(jié)后形成MgAl2O4、AlN陶瓷相。Ni在催化酚醛樹(shù)脂熱解原位生成納米碳的同時(shí)，Al和MgO的反應(yīng)生成陶瓷填充孔，提高了材料的密度。

 

 

低碳鎂碳材料的原料通常是鎂砂和鱗片石墨，其中鎂砂是鎂碳材料的主體部分。鎂砂按其處理方式和設(shè)備分為電熔鎂砂和燒結(jié)鎂砂。電熔鎂砂和燒結(jié)鎂砂也根據(jù)純度分為不同等級(jí)。通常使用的鎂砂等級(jí)越高，鎂碳材料的性能越好。尹明強(qiáng)等研究了不同鎂砂種類(lèi)對(duì)低碳鎂碳材料的影響。研究發(fā)現(xiàn)，所選鎂砂的種類(lèi)對(duì)材料的體積密度和顯氣孔率有很大影響，進(jìn)一步影響材料的耐壓強(qiáng)度、耐熱震性、熱膨脹率等性能。同級(jí)電熔鎂砂的耐渣性和耐熱震性優(yōu)于燒結(jié)鎂砂，隨著鎂砂等級(jí)的提高，耐壓強(qiáng)度提高，線膨脹率下降。耐壓強(qiáng)度與材料的體積密度和氣孔率有關(guān)，在試驗(yàn)中選用97電熔鎂砂試樣具有高的體積密度和耐壓強(qiáng)度。

 

鎂砂的臨界粒度不同，樣品表現(xiàn)的性能也大不相同。隨著鎂砂臨界粒度從3mm增加到8mm，其體積密度和線膨脹增加后減少。臨界粒度為8mm時(shí)，試樣的抗侵蝕能力好，但整體力學(xué)穩(wěn)定性差。臨界粒度為5mm時(shí)，樣品具有佳物理性能。實(shí)際生產(chǎn)中的鎂碳磚由粒徑大小不同的鎂砂粒子，按一定比例混合構(gòu)成。鎂碳材料不僅與鎂砂的種類(lèi)和等級(jí)有關(guān)，還與鎂砂的粒子配比有關(guān)。減小臨界粒度，增大小粒鎂砂所占的比例，有助于降低材料的熱膨脹系數(shù)，提高材料的耐熱震性。鎂砂臨界粒度的降低有助于提高石墨、添加劑對(duì)粒子的包裹。適當(dāng)提高大、中粒鎂砂的比例，提高鎂碳材料的耐壓強(qiáng)度和耐侵蝕性。

 

理想的情況是樣品在燒結(jié)處理和不燒結(jié)的直接使用中膨脹實(shí)現(xiàn)緊密堆積。等研究表明，在一定范圍內(nèi)(粒度分布系數(shù)q為0.4~0.6)以內(nèi)，低碳鎂碳材料的體積密度隨著大、中粒子的比例增大而增大。但超出這個(gè)范圍后，體積密度的變化并不大。

 

隨著q值的增大，大粒子的比例增大，樣品的耐熱震性直線性提高，大粒子比小粒子所需的表面斷裂大，裂縫生成少。因此，僅從耐熱震性方面來(lái)看，選擇純度高、鎂砂，低臨界粒度低、大粒度高的處方制作的低碳鎂碳材料的耐熱震性好。也有學(xué)者用其他材料代替鎂砂，提高低碳鎂碳材料的強(qiáng)度。林等利用鎂鋯砂(MgO-ZrO2)代替一部分鎂砂制作低碳鎂碳材料。

 

研究表明，隨著鎂鋯砂添加量的增加，低碳鎂碳材料的耐熱震性提高。其原因之一是鎂鋯砂加入可以降低整個(gè)材料的熱膨脹率，二是ZrO2升溫到1170℃時(shí)，晶體型從單斜面(t-ZrO2)變成四方面(m-ZrO2)，降溫時(shí)變成單斜面。這種晶狀轉(zhuǎn)化會(huì)造成收縮膨脹，使物料產(chǎn)生微裂紋，釋放熱應(yīng)力。武建芳等用二鋁酸鈣鎂鋁尖晶石(CaAl4O7-MgAl2O4)代替一部分鎂砂制作低碳鎂碳材料。二鋁酸鈣鎂鋁尖結(jié)晶石的引進(jìn)對(duì)材料的耐熱震性有明顯改善，加入二鋁酸鈣鎂鋁尖結(jié)晶石的樣品的高溫?zé)崤蛎浵禂?shù)下降。但是，加入過(guò)多的鋁酸鈣鎂鋁尖晶石，高溫下會(huì)產(chǎn)生很多低熔點(diǎn)相，材料的高溫抗折強(qiáng)度會(huì)下降。試驗(yàn)中二鋁酸鈣鎂鋁尖晶石添加量為6%(w)時(shí)，低碳鎂碳材料的耐熱震性佳。彭從華等用微孔富鎂尖晶石代替鎂砂大、中粒子制作低碳鎂碳材料。研究表明，微孔富鎂尖晶石制成的樣品的抗折強(qiáng)度保持率提高了3倍。這是因?yàn)槲⒖赘绘V尖晶石主要由方鎂石和尖晶石構(gòu)成，微孔富鎂尖晶石比電熔鎂砂更有利于微裂紋的形成。但是，尖晶石容易與渣滓中的CaO和SiO2反應(yīng)，材料被渣滓侵蝕。因此，避免材料處于高堿度的渣滓中。

添加劑的影響和研究進(jìn)展。

 

添加劑是鎂碳材料的重要組成部分，原料中的比例不高，但多發(fā)揮決定性的作用。即使是傳統(tǒng)的鎂碳材料，也需要添加添加劑來(lái)提高抗氧化、防渣侵蝕等能力。低碳鎂碳材料添加劑的選擇尤為重要。添加劑的主要作用是在高溫下氧化c以達(dá)到保護(hù)c的目的，或者在高溫下生成陶瓷相，提高材料強(qiáng)度，或者作為催化劑催化樹(shù)脂分解形成納米碳等。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，需要不同的添加劑相互配合使用，以滿足產(chǎn)品的性能。本文主要介紹與低碳鎂碳材料抗熱震性相關(guān)的添加劑。Al粉是鎂碳材料中常用的抗氧化劑，不僅能提高材料的抗氧化能力，還能在高溫下形成Al3C4、AlN等陶瓷結(jié)構(gòu)，提高材料的高溫抗折強(qiáng)度。

 

加入鋁粉，高溫處理的樣品內(nèi)部生成MgAl2O4和少量AlN。經(jīng)過(guò)1400℃的熱處理，c晶生成。產(chǎn)生的MgAl2O4、AlN、C晶體可以大幅度提高低碳鎂碳材料的高溫抗折強(qiáng)度和耐熱震性。隨著MgAl2O4、AlN、C晶體含量的提高，高溫抗折強(qiáng)度和抗熱震性也提高。熱處理溫度的差異也會(huì)影響樣品的耐熱震性，1400℃的熱處理效果比1200℃好。這可能是因?yàn)楦玫臏囟扔欣谔沾上嗟纳珊途ы毜纳L(zhǎng)。在低碳鎂碳材料中添加Al2O3微粉與添加鋁粉的作用相似，在材料內(nèi)部的原位形成鎂鋁尖晶石相，可以提高材料的強(qiáng)度。

 

研究表明，隨著Al2O3微粉添加量的增加，低碳鎂碳材料的耐熱震性先提高后降低。這是因?yàn)锳l2O3微粉添加量少時(shí)(添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)<5%)，Al2O3和MgO在高溫下在原位形成鎂鋁尖晶石，不僅提高組織強(qiáng)度，還因體積膨脹形成微裂紋，釋放熱應(yīng)力的Al2O3微粉添加量過(guò)大時(shí)(添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)>7%)

將ZrB2與SiC粉按質(zhì)量比8:2的比例混合制成ZrB2-SiC復(fù)合粉，然后將其替代鱗片石墨加入低碳鎂碳材料中，探索對(duì)材料抗熱震性的影響。研究表明，在氧化氣氛下，ZrB2-SiC復(fù)合粉體的高溫抗氧化性更好，因此對(duì)低碳鎂碳材料的耐熱震性明顯提高。但在還原氣氛下，ZrB2-SiC復(fù)合粉對(duì)熱震性的提性的提高不如鱗石墨，因?yàn)轺[石墨具有更低的熱膨脹率和更強(qiáng)的熱傳導(dǎo)能力。因此，ZrB2-SiC復(fù)合粉適用于氧化氛圍，添加量在3%(w)左右。Ma等研究了Zn添加量對(duì)低碳鎂碳材料性能的影響。試驗(yàn)中以Al粉為抗氧化劑，添加量(w)為4.5%。研究表明，Zn的添加量超過(guò)1%時(shí)，低碳鎂碳材料的耐熱震性和抗氧化性明顯提高。另外，隨著Zn添加量的增加，樣品的耐熱震性也在增加。根據(jù)XRD分析，高溫下Al和Zn分別形成了MgAl2O4和ZnAl2O4，不僅加強(qiáng)了材料結(jié)構(gòu)，還通過(guò)體積膨脹堵塞了氣孔，提高了耐腐蝕性。Fe是催化酚醛樹(shù)脂熱解的過(guò)渡金屬。

研究表明，F(xiàn)e在600℃時(shí)與H2O反應(yīng)氧化生成Fe3。