低碳镁碳砖的性能优势及研究发展

在传统工艺中，镁碳砖的碳含量一般在14%-20%，碳的来源基本上都来自石墨。这是因为石墨耐高温，质量损失小，体积膨胀和收缩程度小，对渣料的润湿性差。传统的镁碳耐火材料在长期使用的过程中会逐渐暴露出以下方面的问题：

(1)碳在高温冶炼过程中容易被氧化，其氧化后在耐火材料中易形成多孔结构，降低了材料的强度，且导致材料易被熔渣侵蚀和渗透;

(2)高热导率使钢水的温度升高，带走了更多的热能，使耗能增加，并导致耐火材料的腐蚀情况变糟;

(3)高热导率使炉壳、冶金容器变形或损坏;

(4)消耗大量宝贵的石墨资源，增加了CO2和CO的排放量;

(5)作为VOD精炼炉和其他特殊转炉的炉衬材料时，会使钢水的碳含量增加，达不到低碳洁净钢的冶炼标准。

因此，减少碳的使用量，制备低碳镁碳耐火材料成为研究的必然趋势。当前研究的低碳镁碳砖的碳含量一般不高于8%，因为随着碳含量的减少，会导致镁碳砖的热导率变小，弹性模量增大，热震稳定性下降等。相比于高碳镁碳砖，当碳含量降低以后，会使熔渣渗透进砖的孔隙中，导致镁碳砖的抗渣抗腐蚀能力变差。如何在减少石墨使用量的同时保持镁碳砖的优越性能，使其在炼钢工业中占据不到的地位，成为当今世界国内外学者争先研究的热门问题。

低碳镁碳砖是不改变传统的制备工艺，而减少镁碳砖中的碳含量得到的性能优异的耐火材料。由于低碳镁碳砖中石墨的用量减半，致使石墨具有的高热导率、极小的热膨胀系数和弹性模量等优势发挥不出来，导致低碳镁碳砖的热稳定性和抗渣抗腐蚀性变差。所以，怎么不降低低碳镁碳砖的热稳定性和抗渣抗腐蚀性成为研究的关键。我们可以通过寻找性能更好的炭素原料来控制镁碳砖的基质结构，达到提高低碳镁碳砖的热稳定性和抗渣抗腐蚀性的目的。良好的基质结构需要恰当的炭素颗粒来控制样品内气孔的组成、形状、尺寸及分布情况：同时良好的基质结构可以在很大程度上影响材料的热导率、热膨胀系数和弹性模量，从而改善材料的抗氧化性、热稳定性和抗渣抗腐蚀性。

有学者使用纳米碳作为碳源，在石墨中加入少量不同比例的纳米碳，并使总碳量保持在传统镁碳耐火材料中总碳量的一半以下，制备了新型镁碳耐火材料。研究表明，当0.9%纳米碳和3%石墨混合时，耐火材料的性能达到最好值。因为纳米碳能够更均匀地分布在基质中，起到填充起始物料大小不一颗粒之间的缝隙以及纳米碳内部的孔隙的作用，从而降低了耐火材料的显气孔率，增大体积密度、强度、耐侵蚀性等。此外，纳米碳还能减轻耐火材料体积膨胀或收缩产生的应力，从而改善热应力在耐火材料内部分布不均匀的情况，提高热稳定性。由此方法制备的低碳镁碳砖在降低碳含量的同时改善了耐火材料的性能，提高了砖的质量。

将改性石墨加入到钢包渣用镁碳砖中，研究了改性石墨对镁碳砖各项性能的影响。实验结果表明，虽然加入0-1%的改性石墨会对镁碳砖的体积密度产生不利影响，但是改性石墨在高温下产生的体积膨胀能弥补砖的基质收缩，填充物料之间的孔隙，从而提高镁碳砖的抗渣性。当加入0.8%的改性石墨时，镁碳砖中骨料与基质的缝隙最小，抗渣性最好。

使用环保煤沥青替代石墨，以酚醛树脂作结合剂，制备了不同温度热处理后的镁碳砖，并检测样品的各项性能指标。实验结果表明，随着环保沥青的逐渐加入，样品的体积密度降低、显气孔率升高、线变化率变小，但耐压强度显著增大。通过显微结构分析发现，高温下，镁碳砖中有纤维状AlN和纳米镁铝尖晶石产生，并且温度越高越有利于该种结构生成。