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因溫度變化導致材料表面和內(nèi)部產(chǎn)生裂紋和縫隙，并且經(jīng)鋼液沖刷后會加劇裂紋的擴張。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)中和熱應力;或者引入陶瓷相，提高材料整體強度，降低整體熱膨脹率;或者引入低熔點玻璃相，在高溫下玻璃相熔融可以分散熱應力，但是引入玻璃相會使材料強度和致密性下降，一般很少使用。

 

 

鎂碳材料一般以鱗石墨為碳源，具有導熱性好、熱膨脹率低的優(yōu)點。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，石墨還可以潤滑鎂砂粒子表面，減少壓制過程中大粒子的損傷。鎂碳材料中碳含量的變化直接影響材料的彈性模量、耐壓強度、耐熱震性、耐渣侵蝕性等重要性能。對于低碳鎂碳材料，碳含量的降低必然會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系接近線性關系。隨著碳含量的降低，抗折強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材料的導熱率和各向異性，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低碳鎂碳的耐熱震性明顯提高。納米膨脹石墨對抗熱震性有負面影響，但高溫處理后，在材料內(nèi)部的原位生成Al3C4陶瓷相，發(fā)揮強化作用。石墨粒度的大小也會影響抗熱震性。

 

石墨粒度越細，材料中的分散度越高，耐熱震性越好。但是，石墨粒度減少會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，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，具有納米材料獨特的納米效應。納米炭黑加入鎂碳材料可以改善材料的韌性，提高材料的強度。

 

將納米炭黑混入酚醛樹脂中加入鎂碳材料，納米炭黑促進樹脂固化，提高材料力學強度和耐熱震性。但是，過量加入納米炭黑會使樹脂流動性變差，在固化過程中會產(chǎn)生很多氣孔，反而會降低力學性能。樹脂加入量為4%(w)，納米石墨占樹脂質(zhì)量的5%，鎂碳材料的高溫力學性能和耐熱震性提高。唐光盛等對比亞微米級炭黑和納米炭黑對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。這是因為只有納米級顆粒才能平衡熱應力，阻止裂紋的擴大。在試驗中加入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，功能類似納米炭黑，可吸收斷裂能力，平衡擴散應力。碳纖維也是常用的增韌材料，具有導熱率高、耐沖擊性強等特點。

將碳纖維添加到低碳鎂碳材料中。研究發(fā)現(xiàn)，當碳纖維加入量為2.5%(w)時，經(jīng)過高溫處理的低碳鎂碳材料的高溫強度和抗熱震性能明顯提高。但碳纖維加入量為5%(W)時，高溫強度和抗熱震性能急劇下降。也許是因為碳纖維加入過多會影響低碳鎂碳材料的抗氧化能力。另外，碳纖維的添加量過多的話，碳纖維會團聚，影響材料的分散性。納米碳操作簡單，但原料混合要求大，混合不均勻會引起團聚現(xiàn)象，影響材料性能。因此，學者通過原位合成納米碳和陶瓷相來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的加入不會影響晶相變化，適量的Al粉的加入可以在高溫燒結(jié)后形成MgAl2O4、AlN陶瓷相。Ni在催化酚醛樹脂熱解原位生成納米碳的同時，Al和MgO的反應生成陶瓷填充孔，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。通常使用的鎂砂等級越高，鎂碳材料的性能越好。尹明強等研究了不同鎂砂種類對低碳鎂碳材料的影響。研究發(fā)現(xiàn)，所選鎂砂的種類對材料的體積密度和顯氣孔率有很大影響，進一步影響材料的耐壓強度、耐熱震性、熱膨脹率等性能。同級電熔鎂砂的耐渣性和耐熱震性優(yōu)于燒結(jié)鎂砂，隨著鎂砂等級的提高，耐壓強度提高，線膨脹率下降。耐壓強度與材料的體積密度和氣孔率有關，在試驗中選用97電熔鎂砂試樣具有高的體積密度和耐壓強度。

 

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，試樣的抗侵蝕能力好，但整體力學穩(wěn)定性差。臨界粒度為5mm時，樣品具有佳物理性能。實際生產(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和等級有關，還與鎂砂的粒子配比有關。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、添加劑對粒子的包裹。適當提高大、中粒鎂砂的比例，提高鎂碳材料的耐壓強度和耐侵蝕性。

 

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。也有學者用其他材料代替鎂砂，提高低碳鎂碳材料的強度。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材料的熱膨脹率，二是ZrO2升溫到1170℃時，晶體型從單斜面(t-ZrO2)變成四方面(m-ZrO2)，降溫時變成單斜面。這種晶狀轉(zhuǎn)化會造成收縮膨脹，使物料產(chǎn)生微裂紋，釋放熱應力。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)晶石的引進對材料的耐熱震性有明顯改善，加入二鋁酸鈣鎂鋁尖結(jié)晶石的樣品的高溫熱膨脹系數(shù)下降。但是，加入過多的鋁酸鈣鎂鋁尖晶石，高溫下會產(chǎn)生很多低熔點相，材料的高溫抗折強度會下降。試驗中二鋁酸鈣鎂鋁尖晶石添加量為6%(w)時，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度保持率提高了3倍。這是因為微孔富鎂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，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以達到保護c的目的，或者在高溫下生成陶瓷相，提高材料強度，或者作為催化劑催化樹脂分解形成納米碳等。因此，在實際生產(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度和耐熱震性。隨著MgAl2O4、AlN、C晶體含量的提高，高溫抗折強度和抗熱震性也提高。熱處理溫度的差異也會影響樣品的耐熱震性，1400℃的熱處理效果比1200℃好。這可能是因為更好的溫度有利于陶瓷相的生成和晶須的生長。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。這是因為Al2O3微粉添加量少時(添加質(zhì)量分數(shù)<5%)，Al2O3和MgO在高溫下在原位形成鎂鋁尖晶石，不僅提高組織強度，還因體積膨脹形成微裂紋，釋放熱應力的Al2O3微粉添加量過大時(添加質(zhì)量分數(shù)>7%)

將ZrB2與SiC粉按質(zhì)量比8:2的比例混合制成ZrB2-SiC復合粉，然后將其替代鱗片石墨加入低碳鎂碳材料中，探索對材料抗熱震性的影響。研究表明，在氧化氣氛下，ZrB2-SiC復合粉體的高溫抗氧化性更好，因此對低碳鎂碳材料的耐熱震性明顯提高。但在還原氣氛下，ZrB2-SiC復合粉對熱震性的提性的提高不如鱗石墨，因為鱗石墨具有更低的熱膨脹率和更強的熱傳導能力。因此，ZrB2-SiC復合粉適用于氧化氛圍，添加量在3%(w)左右。Ma等研究了Zn添加量對低碳鎂碳材料性能的影響。試驗中以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1%時，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，不僅加強了材料結(jié)構(gòu)，還通過體積膨脹堵塞了氣孔，提高了耐腐蝕性。Fe是催化酚醛樹脂熱解的過渡金屬。

研究表明，F(xiàn)e在600℃時與H2O反應氧化生成Fe3。