鎂碳磚

鎂碳磚是以高熔點鹼性氧化物氧化鎂（熔點2800℃）和難以被爐渣侵潤的高熔點碳素材料作為原料，添加各種非氧化物添加劑。用炭質結合劑結合而成的不燒炭複合耐火材料。

基本介紹

• 中文名：鎂碳磚
• 外文名：magnesia carbon brick
• 熔點：2800℃
• 化學性質：高熔點鹼性氧化物

作用

鎂碳磚

鎂碳磚是以高熔點鹼性氧化物氧化鎂（熔點2800℃）和難以被爐渣侵潤的高熔點碳素材料作為原料，添加各種非氧化物添加劑。用炭質結合劑結合而成的不燒碳複合耐火材料。鎂碳磚主要用於轉爐、交流電弧爐、直流電弧爐的內襯，鋼包的渣線等部位。

鎂碳磚作為一種複合耐火材料，有效地利用了鎂砂的抗渣侵蝕能力強和碳的高導熱性及低膨脹性，補償了鎂砂耐剝落性差的最大缺點。
其主要特點有：具有良好的耐高溫性能，抗渣能力強，抗熱震性好，高溫蠕變低。

製備工藝

按照冷混合工藝用合成焦油結合劑製造的傳統鎂碳磚在焦油受損過程中發生硬化並獲得必要的強度，因此便形成了各向同性的玻璃狀碳。此種碳未顯現出熱塑性，在內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力。用瀝青結合劑生產的鎂碳磚，由於在瀝青碳化過程中形成各向異性的石墨化焦炭結構，該磚具有較高的高溫塑性。

生產過程

原料

MgO–C磚的主要原料包括電熔鎂砂或燒結鎂砂、鱗片狀石墨、有機結合劑以及抗氧化劑。

鎂砂

鎂砂是生產MgO–C磚的主要原料，有電熔鎂砂和燒結鎂砂之分。電熔鎂砂與燒結鎂砂相比具有方鎂石結晶粒粗大、顆粒體積密度大等優點，是生產鎂碳磚中主要選用的原料。生產普通鎂質耐火材料，對鎂砂原料要求主要具有高溫強度和耐侵蝕性能,因此注重鎂砂的純度及化學成分中的C/S比和B2O3含量。隨著冶金工業的發展，冶煉條件日益苛刻，在冶金設備（轉爐、電爐、鋼包等）上套用的MgO–C磚所用的鎂砂，除了化學成分外，在組織結構方面，還要求高密度和大結晶。

碳源

不論是在傳統的MgO-C磚還是在目前大量使用的低碳MgO-C磚，主要利用鱗片狀石墨作為其碳源。石墨作為生產MgO-C磚的主要原料，主要得益於其優良的物理性能：①對爐渣的不濕潤性。②高的導熱性。③低的熱膨脹性。此外，石墨與耐火材料在高溫下不發生共熔，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於95%，最好是大於98%的石墨。

除石墨外，炭黑也普遍用於鎂碳磚的生產。炭黑是由烴類碳氫化合物的熱分解或不完全燃燒製得的具有高度分散的黑色粉末狀碳質物料，炭黑顆粒細小（小於1μm），比表面積大，碳的質量分數為90～99%，純度高，粉末電阻率大，熱穩定性高，熱導率較低，屬難石墨化碳。炭黑的加入可有效改善MgO-C磚的抗剝落性，增加殘碳量，並提高磚的密度。

結合劑

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

1）瀝青類物質。焦油瀝青是一種熱塑性材料，具有與石墨、氧化鎂親和力大，炭化後殘碳率高，成本低的特點，過去曾大量使用；但是焦油瀝青中含有致癌的芳香烴，尤其是苯並茁含量高；由於環境意識的加強，現在焦油瀝青的使用量在減少。

2）樹脂類物質。合成樹脂是由苯酚和甲醛反應製得，在常溫下便能和耐火材料顆粒很好的混合，炭化後殘碳率高，是當前生產MgO-C磚用主要結合劑；但它炭化後形成的玻璃態網路結構，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上，經過改性得到的物質。如果結合劑炭化後能形成鑲嵌結構和原位形成碳纖維物質，那么這種結合劑將改善耐火材料的高溫性能。

抗氧化劑

為了提高MgO-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：一方面是從熱力學觀點出發，即在工作溫度下，添加物或者添加物和碳反應生成其他物質，它們與氧的親和力比碳與氧的親和力大，優先於碳被氧化從而起到保護碳的作用；另一方面，即從動力學的角度來考慮添加劑與O2，CO或者碳反應生成的化合物改變碳複合耐火材料的顯微結構，如增加緻密度，堵塞氣孔，阻礙氧及反應產物的擴散等。

套用

早期鋼包渣線部位使用的耐火材料是直接結合鎂鉻磚，電熔再結合鎂鉻磚等優質鹼性磚。MgO-C磚成功在轉爐上使用後，精煉鋼包渣線部位也開始使用MgO-C磚，並取得了良好的使用效果。目前，我國和日本一般都使用含碳量為12%～20%的以樹脂結合的MgO-C磚，而歐洲多採用瀝青結合的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磚代替直接結合鎂鉻磚，渣線部位的壽命從20次提高到30-32次[9]。日本仙台鋼鐵廠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度的影響。研究認為：由電熔鎂砂與燒結鎂砂組成的混合物，外加15%磷片石墨及少量鎂鋁合金作抗氧化劑製得的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採用MgO-C磚代替鎂鉻磚後，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電爐鋼包渣線採用低碳鎂碳磚冶煉簾線鋼，出鋼溫度1600℃～1670℃，取得了明顯效果。

低碳鎂碳磚

隨著冶煉技術的進步對耐火材料的新要求，傳統鎂碳磚在長期的套用實踐過程中發現有以下幾方面的問題：①由於高熱導率增加熱損耗，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量潔淨鋼及超低碳鋼時，會引起增碳問題；③消耗大量寶貴的石墨資源。鑒於以上情況，近年來，對精煉鋼包用低碳量、性能優異的低碳鎂碳磚的開發受到國內外業界的重視。

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

目前對解決這些問題的認識主要包括以下三個方面：①通過改善結合炭的炭結構提高鎂碳磚的熱震穩定性：傳統鎂碳磚的結合劑多為酚醛樹脂，這種結合劑炭化以後的炭結構呈各向同性的玻璃態，所以使鎂碳磚呈脆性，彈性模量高，對製品的熱穩定性不利，且製品的高溫強度也低。在酚醛樹脂中引入能石墨化的炭素前軀體後，這種複合結合劑在鎂碳磚使用環境下能炭化成為具有流動狀或鑲嵌狀結構的次生炭，或原位形成納米炭纖維，通過炭結構的改善及納米炭纖維形成的增強作用來提高低碳鎂碳磚的熱震穩定性及高溫強度；②最佳化鎂碳磚的基質結構：鎂碳磚的熱震穩定性及抗渣滲透性主要取決於基質的組成與結構，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並保證其高度分散，是改善低碳鎂碳磚熱震穩定性及抗渣滲透性的重要措施之一。通過調整基質配料的粒度組成來控制氣孔的尺寸、形狀和分布，也會對材料的熱導率產生明顯影響；③採用高效抗氧化劑：隨著鎂碳磚中碳含量的降低，對炭的氧化保護尤為重要，所以採用合適的高效抗氧化劑也是十分必要的。