王万--镁碳质耐火材料的简介

镁碳质耐火材料的介绍

王万

濮阳职业技术学院河南濮阳457000

摘要：主要介绍了镁碳质耐火材料的发展、性能原料及其代表性产品-MgO-C砖的工艺和应用。

关键词：镁碳质耐火材料镁碳砖发展性能

1.镁碳质耐火材料的发展及定义

1.1 镁碳质耐火材料的发展

随着冶金及高温工业的不断发展，新型耐火材料制品也不断推陈出新；与此同时随着耐火材料质量的提高及品种的日益完善，促进了冶金工业及相关领域的进步。耐火材料的使用性能与任何材料一样，也是随着原料质量的提高、生产工艺的改进等相关过程的不断进步与完善而不断的。在这样的一种背景下，迫切需要一种耐火制品既能节省能源、又能提高炉衬寿命且适应现代新冶炼技术所要求的使用性能下，镁碳质复合耐火材料便应运而生。镁碳质复合耐火材料是适应冶金工业的需要，于70年代后期至80年代中期研制、开发、生产和推广的一种新型复合耐火材料。镁碳质复合耐火材料由于其优良的使用性能从而使冶金工业发生了划时代的巨变。

1970年,日本九州耐火公司的渡边明,发明了镁碳质耐火材料。

镁碳质耐火材料在发明之初主要用于电熔热点部位,使超高功率电炉的炉衬寿命由老式碱性砖的2~3天提高到2~3周,从而促进了电炉炼钢生产率的显著上升。

1979年，镁碳质耐火材料开始用作转炉炉衬材料，实验证实，这种含碳制品同样适用于转炉，且同样能大幅度提高转炉炉衬的使用寿命

我国含碳制品的研究从80年开始，86年前后在全国各大、中、小钢厂全面推广使用，使我国很多钢厂的转炉炉衬的使用寿命迅速突破千炉大关。

1.2 镁碳质复合耐火材料的定义

镁碳质耐火材料是一种含碳的复合耐火材料。复合耐火材料指：由两种或两种以上不同

性质的耐火氧化物（MgO、CaO、Al

2O

3

、ZrO

2

等）和碳素材料及非氧化物材料为原料，用碳素

材料作为结合剂而制成的一种多相复合耐火材料。镁碳质耐火材料是以高温烧结镁砂或电熔镁砂和碳素材料为原料，添加各种非氧化物添加剂，用碳质结合剂制成的不烧的一种复合耐火材料。镁碳质复合材料既可以保持原材料的某些特点，又能发挥组合后的新特性，它可以根据需要进行设计，取长补短，从而最大限度地达到使用要求的性能。例如MgO-C砖耐火材料有效地利用了镁砂的抗侵蚀能力强和利用碳的高导热性及低膨胀性,补偿了碱性制品抗剥落性差的最大缺点。

2. 镁碳质复合耐火材料的性能

MgO-C质耐火材料作为一种复合耐火材料，有效地利用了镁砂的抗渣侵蚀能力强和利用碳的高导热性及低膨胀性，补偿了镁砂耐剥落性差的最大缺点。

2.1 耐高温性能

T M.PMgO=2825℃，T M.P石墨＞3000℃，且MgO与C间在高温下无共熔关系。因而镁碳质

耐火材料具有良好的高温性能。

2.2 抗渣能力强

MgO 本身对碱性渣及高铁渣具有很强的抗蚀能力,石墨对渣的润湿性差。因而镁碳质耐火材料具有高的抗渣性。角大,与熔渣的润湿

2.3 抗热震稳定性好

R ∝αλE P m /

其中Pm ：材料的机械强度；λ为材料的导热系数；E 为材料的弹性模量；α为材料的热膨胀系数。

在镁碳制品中的石墨具有高的导热系数：

k m w k

m w k m w C MgO C MgO C

//08.24./27.122./22910001001000==︒︒︒λλλ＝石墨

低的热膨胀系数：

C

C C C C MgO ︒⨯︒>︒⨯︒⨯=--︒-/1034.31000,/105.1~4.1/10

15~14661000~0.6时：＝石墨αα

小的弹性模量：E=0.9×105kg/cm2(8.82 ×1010Pa)，石墨的机械强度随着温度的升高而提高。

在温度为279-1273K 范围内，氧化物及某些难熔化合物的线性热膨胀系数平均值（α×10-6K-1）如图1：

2

4

6

8

10

12

14

16

MgO 稳定ZrO2Cr2O3Al2O3尖晶石莫来石SiC 锆英石SiO2(玻璃)

图1 2.4 高温蠕变低

镁碳质耐火材料与其它陶瓷结合耐火材料相比，显示出特别好的蠕变特性。这是因为镁碳质耐火材料的基质是有熔点高的石墨和镁砂细粉组成，并且颗粒间存在着牢固的碳结合网络，不易产生滑移； C 与MgO 之间存在着牢固的碳结合网络，不易滑移，C 与MgO 无共熔关系，液相少。

3. 镁碳质耐火材料的原料

生产镁碳质耐火材料的原料有镁砂、石墨、结合剂和添加剂。原料的质量直接影响镁碳质耐火材料的性能和使用效果。

3.1 镁砂

镁砂是生产镁碳质耐火材料的主要原料，镁砂质量的优劣对镁碳质耐火材料的性能有着极为重要的影响，如何合理地选择镁砂是生产镁碳质耐火材料的关键。镁砂有电熔镁砂和烧结镁砂，它们具有不同的特点。电熔镁砂：晶粒大（＞80um）,杂质少,硅酸盐相少,晶粒直接结合程度高，晶界少,价格高。烧结镁砂：晶粒细小（0-60um）,杂质与硅酸盐相相对较多，直接结合程度较差，价格便宜。

生产普通镁质耐火材料，对镁砂原料要求主要具有高温强度和耐侵蚀性能就行了。因此

注重镁砂的纯度及化学成分中的C/S比和B

2O

3

含量。随着冶金工业的发展，冶炼条件日益苛

刻，在冶金设备（转炉、电炉、钢包等）上应用的镁碳质耐火材料所用的镁砂，除了化学成分外，在组织结构方面，还要求高密度和大结晶。因此作为生产MgO-C用的镁砂质量应包括

下列内容：（1）：MgO含量（纯度）；（2）杂质的种类特别是C/S和B

2O

3

含量;（3）镁砂的体

密、气孔孔径、气孔形状等（烧结性）。

镁砂的纯度对镁砂颗粒在熔渣中及有熔渣吸入时的溶损行为有着重大的影响。MgO含量越高，杂质相对越少，硅酸盐相分割程度降低，方镁石直接结合程度提高，抗熔渣的渗透熔

损能力提高。镁砂中的杂质主要有CaO、SiO

2、Fe

2

O

3

、B

2

O

3

等，天然镁砂中B

2

O

3

含量极低，

属无硼砂。镁砂中如果杂质含量高，特别是B

2O

3

的化合物，会对镁砂的耐火度及高温性能产

生不利影响。镁砂中的杂质主要有以下几个方面的不利影响：（1）降低方镁石的直接结合程

度；（2）高温下与MgO形成低熔物；（3）Fe

2O

3

、SiO

2

等杂质在1500-1800℃时，先于MgO与

C反应，留下气孔使制品的抗渣性变差。

除了杂质的总量以外，杂质的种类及相对含量对镁砂的性能也有重大影响。其中的C/S

比和B

2O

3

含量的影响最为明显。C/S比控制着镁砂的副晶相类型。一般镁质耐火材料通常要

求C/S≥2，从而使副晶组成相落在CaO-MgO-SiO

2三元相图中CaO-MgO-C

2

S三相之间的高熔

点区，以提高镁碳质耐火材料高温稳定性。C

2

S(bicalcium silicate)的熔点为：2130℃，

C

3

S（tricalcium silicate）的熔点为1900℃；另外低硅镁砂可以减少MgO与C的高温反应；C/S比高的镁砂，在高温下与石墨共存的稳定性好，C/S比越高，方镁石直接结合程度亦高。

镁砂的烧结性对MgO-C质耐火材料也有影响。镁砂的体密越高，封闭气孔越少，则镁砂向熔渣中溶解的溶解度越小。镁砂熔损的重要过程之一是熔渣侵蚀方镁石晶界内,从而促进

了MgO与熔渣的反应。当熔渣和存在于方镁石晶界中的SiO

2

和CaO等杂质，反应之后，方镁石晶体不断向熔渣中分离。体积密度高的镁砂可以减少熔渣的侵入，从而提高了镁碳质耐火材料的耐蚀能力。所以生产MgO-C砖的镁砂一般要求体积密度≥3.34g/cm3,最好大于3.45g/cm3。

方镁石的晶粒尺寸和体积密度决定着MgO同熔渣反应的比表面从而影响其蚀损程度。方镁石的晶粒尺寸越大，则方镁石的比表面越小，这意味着熔渣与方镁石反应的面积越小，因而其抗渣能力越强。方镁石直接结合程度越大，则晶界越少，晶界面积亦小，因而熔渣向晶界处渗透越难。一般情况下，电熔镁砂的抗侵蚀性比烧结镁砂好。原因就在于电熔镁砂的晶粒尺寸大、晶粒间的直接结合程度比烧结镁砂要大。

因此，要生产高质量的镁碳质耐火材料，须选择高纯镁砂（MgO ≥ 97％），C/S ≥2，

CaO+SiO

2

量低，体积密度≥ 3.34g/cm3,结晶发育良好，气孔率≤3%,最好小于1%。

3.2 石墨