【原料】镁碳耐火材料用镁砂石墨等原料的选择及生产工艺

    镁碳耐火材料用镁砂石墨等原料的选择及生产工艺

镁碳耐火材料是上世纪七十年代日本为电炉应用而开发的，于1970年首次在电炉上进行了应用性试验，经过了六年的应用性试验之后，镁碳耐火材料被正式推广应用在电炉上。与其它碳素材料相比，镁碳质耐火材料中添加的天然鳞片石墨及碳质结合剂，使其具有优良的导热系数，较小的热膨胀率，大大增强了镁碳砖的性能，特别是提高了其抗渣侵蚀性及热震稳定性。已广泛地应用于超高功率电弧炉炉墙、炉顶、蚀损严重的高温热点、渣线及出钢口部位，也用于转炉炉口、出钢侧、耳轴壁和熔池等处，以及钢包精炼炉的渣线处。

镁碳砖成型

镁碳耐火材料的生产原料及工艺具体如下：

(1)镁砂

生产镁碳质耐火材料的主要原料是镁砂。由于镁砂质量的优劣对镁碳质耐火材料的性能起着很大的影响作用，所以在生产中，选择合理的镁砂成为生产优质镁碳质耐火材料首要步骤。常用镁砂为电熔镁砂和烧结镁砂，它们具有不同的特点，其矿物组成主要是方镁石。在生产镁碳质耐火材料时，所考虑的镁砂性能参数主要有以下几项内容：

①镁砂纯度(mgo含量);

②杂质相及其含量;

③镁砂的体积密度、气孔率以及方镁石晶粒尺寸等。

镁砂的纯度对镁碳质耐火材料的抗渣侵蚀性起着重要的影响，这是因为当mgo含量很高时，其杂质相就相对减少，mgo晶体被作为杂质相的硅酸盐相分割程度降低，mgo晶体为直接结合，所以提高了镁碳质耐火材料的抗渣侵蚀性。

电熔镁砂

镁砂中的杂质相主要有sio2、cao、b2o3、fe2o3等，如果镁砂中含有很高的杂质，特别是b2o3，将对镁碳质耐火材料的耐火度及高温性能带来不利的影响，杂质相将从以下几个方面产生作用：

①杂质相含量高，将降低mgo晶体的直接结合程度;

②sio2、cao等在高温下会与mgo形成共熔体;

③sio2、fe2o3等杂质在高温下会优先与c反应，使得镁碳砖中产生气孔，降低了镁碳质耐火材料的抗渣侵蚀性。

镁碳质耐火材料在使用过程中，溶渣会通过气孔与方镁石晶界渗入镁砂颗粒与方镁石晶体产生反应，导致其损毁，特别是当镁砂中还有很高的cao、sio2等杂质时，会加速其损毁速率，导致镁砂中的方镁石晶体被不断侵蚀，剥落进入溶渣中。因此，体积密度高的镁砂，相对杂质含量就少，可以降低被溶渣侵蚀的途径，提高镁碳质耐火材料的抗渣侵蚀性。同时，较大的方镁石晶粒能提高晶粒间的直接结合程度，减小晶界面积，降低溶渣向晶界处渗透的路径。电熔镁砂的晶粒尺寸较大且晶粒间的直接结合程度较高，在生产总一般选择电熔镁砂为原料以提高制品的抗渣侵蚀性。

因此，在生产高质量的镁碳质耐火材料时，必须选择具有较高体积密度且纯度高的镁砂，例如，mgo含量大于等于97%，cao/sio2不小于2，体积密度不小于3.34g/cm3，气孔率不大于3%且晶界发育良好的镁砂。但在实际生产中，由于镁碳质耐火材料使用的部位不同，对它性能的要求也不同。因此，根据实际情况选择质量相当的镁砂，符合降低成本、减少优质资源消耗、有利于可持续发展的原则。

(2)石墨

制备mgo-c质耐火材料用的碳素材料主要为鳞片石墨。

鳞片石墨按固定碳含量分为四类：高纯石墨、高碳石墨、中碳石墨和低碳石墨。

影响镁碳质耐火材料性能参数的主要有固定碳含量、粒度、灰分组成及其含量，颗粒形状、挥发分及水分等。其中，固定碳是指石墨中除去挥发分、灰分以外的组成部分;挥发分是指石墨中易挥发的有机及无机物。一般情况下，要求石墨的固定碳含量越高，则制备出来的镁碳质耐火材料在高温下使用过程中具有优良的结构，制品的高温抗折强度等力学性能越好。

鳞片石墨

用不同纯度的石墨作为碳素原料生产出的镁碳质耐火材料，在结构上存在着明显的差异。石墨越纯，生产出的镁碳质耐火材料抗渣侵蚀性越优良，石墨纯度越低，生产出的镁碳质耐火材料在高温下，会由于其中的杂质相熔化成玻璃相并与镁砂或碳产生反应，导致内部产生缺陷，恶化制品的结构局部，降低制品的高温强度等。

石墨中的挥发分在热处理过程中会产生较多的挥发物，导致制品的气孔率增大，降低制品的使用性能。

石墨的粒度对制品的热震稳定性及抗氧化性影响很大。一般认为，鳞片石墨的鳞片越大，则制品的热震稳定性及抗氧化性越好，这是由于大鳞片石墨具有较高的热导率和较小的比表面积的缘故。一般要求，生产镁碳质耐火材料用的鳞片石墨其粒度大于115目。鳞片石墨的厚度对制品的性能也有影响，鳞片石墨的厚度越小，其端部表面被氧化的有效面积减小，能提高制品的抗氧化性。近年来，由于低碳镁碳砖的开发，碳含量减少，为保证石墨在制品中的均匀分布，粒度有减小的趋势。

灰分是石墨经氧化处理后的残留物[8]。石墨中灰分越多，镁碳质制品的抗渣性能越低。此外，杂质对于石墨的抗氧化性也有一定的影响。其作用可以分为两个方面。一方面是某些夹杂氧化物对于石墨的氧化有催化作用;另一方面，石墨的灰分对镁碳质耐火材料氧化后所形成的脱碳层的厚度有影响，从而影响其抗氧化性。但并非纯度越高的石墨制得的mgo-c质耐火材料的抗氧化性越好。

(3)结合剂

结合剂的发展对于镁碳砖起着至关重要的作用[9]。结合剂不仅会影响到镁碳砖的制备工艺，而且还会影响到制品显微结构的变化进而影响到其使用性能。因此，选择合适的结合剂对于镁碳砖的制备起到重要的影响。

由于结合剂对镁碳砖的性能及工艺有很大的影响，根据镁碳砖的制备工艺，其对结合剂的要求主要有：对石墨及镁砂的润湿角小，能很好的与石墨及镁砂颗粒结合在一起，粘度小流动性强;高温热处理之后能使制品保持较高的强度，使其不产生膨胀或收缩;残炭率要高，且对环境无污染。镁碳质耐火材料常用的结合剂主要有以下三种类型：

①沥青类结合剂：主要使用的为焦油沥青，它是一种热塑性材料，能很好的与镁砂、石墨等结合且高温热处理之后具有很高的残碳率，价格便宜低，曾被耐材企业广泛的使用。但是由于人们环保意识的增加及焦油沥青对环境污染的加剧，使得现在焦油沥青的使用率下降。

②树脂类结合剂：这是当前镁碳砖生产企业主要使用的一类结合剂，分为热塑性酚醛树脂及热固性酚醛树脂等。在常温下酚醛树脂便能和镁砂、石墨等颗粒很好的结合，且具有高温热处理后残炭率高的优点。但是由于酚醛树脂炭化后所形成的基质为玻璃态结构，使得镁碳砖的抗氧化性及热震稳定性降低。

③改性沥青及改性树脂：针对焦油沥青及酚醛树脂在使用过程中的不足，使得人们对现有的焦油沥青及酚醛树脂进行改性。经过改性之后的沥青及树脂，在高温炭化后能形成一些原位生成的碳纤维或者镶嵌结构而不是较差的玻璃态结构，这将有助于提高镁碳砖的高温使用性能，如提高抗氧化性及热震稳定性。

(4)添加剂

由于镁碳砖中石墨的加入，使得其具有许多优良的性能，但是由于石墨在镁碳砖的使用过程中容易被氧化，使得其组织结构被破坏，容易被渣液及金属溶液侵蚀，进而使得镁碳砖被破坏，降低了镁碳砖的使用寿命及使用性能。

为了保证镁碳砖的使用性能，保护其石墨不被氧化，常常在镁碳砖的制备中添加少量的添加剂(也叫抗氧化剂)。较为常用的添加剂有金属al粉、金属mg粉、si粉、sic粉及al-mg合金、al-mg-ca等复合粉。添加剂除了能防止石墨被氧化外，还通过其它方式影响着镁碳砖的性能，主要作用如下：

①抗氧化作用，阻止碳的氧化。

②通过还原co(g)生成固态碳来减少碳复合耐火材料中碳的损失。

③降低气孔率，提高制品的密度，同时也提高抗氧化性。

④促进由结合剂所生成的无定形炭的结晶。

⑤通过形成表面保护层来提高制品的抗氧化性与抗渣性。抗氧化剂的抗氧化作用通常从两方面来考虑：一是优先于碳被氧化从而对碳起到保护作用，二是形成某种化合物堵塞气孔。

(5)镁碳耐火材料的生产工艺

镁碳砖的制备工艺主要有泥料的配料和混练、成型及热处理等。

图1镁碳质耐火材料生产工艺流程图

在镁碳质耐火材料的制备过程中，只有采用合适的镁砂临界粒径、石墨加入量、混炼时间及成型压力等，才能得到最优性能的镁碳质耐火材料制品。

在生产镁碳质耐火材料时，通常根据需要使用镁碳质耐火材料的部位选择镁砂的临界粒度尺寸。在温度梯度较大、制品经受强烈热冲击的部位使用临界粒度较小的镁砂，以增强其抗热冲击性能;在侵蚀严重的部位，则需要选择具有较大临界粒度的镁砂，以提高其抗侵蚀性能。

在镁碳质耐火材料中基质部分加入一定数量的镁砂细粉，将会调整其中大颗粒与基质部分的热膨胀系数，使其相互匹配，减小因热膨胀系数的不同引起的热应力，但若配入的镁砂细粉太细，则会加速mgo的还原，从而引起镁碳质耐火材料的损毁。

石墨的加入量应与镁碳质耐火材料的使用部位相匹配。一般情况下，若石墨加入量小于10%，则制品中难于形成连续的碳网，不能有效地发挥碳的优势;石墨加入量大于20%，生产时成型困难，易产生裂纹，制品易氧化，所以石墨的加入量一般在10~20%之间，根据不同的使用部位，选择不同的石墨加入量。

【图】

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