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中文名：鎂碳磚
英文名：magnesia carbon brick
定義：鎂碳磚是以高熔點堿性氧化物氧化鎂(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(zhì)結(jié)合劑結(jié)合而成的不燒炭復合耐火材料。
鎂碳磚是以高熔點堿性氧化物氧化鎂(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(zhì)結(jié)合劑結(jié)合而成的不燒碳復合耐火材料。鎂碳磚主要用于轉(zhuǎn)爐、交流電弧爐、直流電弧爐的內(nèi)襯，鋼包的渣線等部位。
鎂碳磚作為一種復合耐火材料，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。
特點：
1、具有良好的耐高溫性能
2、抗渣能力強
3、抗熱震性好
4、高溫蠕變低
理化指標：
鎂碳磚主要用于轉(zhuǎn)爐、交流電弧爐、直流電弧爐的內(nèi)襯，鋼包的渣線等部位。鎂碳磚作為一種復合耐火材料，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。
早期鋼包渣線部位使用的耐火材料是直接結(jié)合鎂鉻磚，電熔再結(jié)合鎂鉻磚等優(yōu)質(zhì)堿性磚。MgO-C磚成功在轉(zhuǎn)爐上使用后，精煉鋼包渣線部位也開始使用MgO-C磚，并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(jié)合的MgO-C磚，而歐洲多采用瀝青結(jié)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(jié)合鎂鉻磚，渣線部位的壽命從20次提高到30-32次[9]。日本仙臺鋼鐵廠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(yè)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(jié)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制得的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采用MgO-C磚代替鎂鉻磚后，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電爐鋼包渣線采用低碳鎂碳磚冶煉簾線鋼，出鋼溫度1600℃～1670℃，取得了明顯效果。
鎂碳磚的蝕損及控制：
復合耐火材料作為鋼鐵冶煉過程中使用的重要材質(zhì)或者關鍵部件而被廣泛使用，但由于它們在熔渣-金屬界面使用時往往產(chǎn)生局部溶損而左右其使用壽命。
一例如，現(xiàn)代鋼包通常采用MgO-C磚(鎂碳磚)以加強渣線部位而一般壁則采用氧化物系耐火材料分區(qū)筑襯的方案，但往往在兩種材質(zhì)邊界上卻會發(fā)生局部溶損的問題，結(jié)果則導致壽命降低而報廢。這種局部熔損發(fā)生在不同種類耐火材料的邊界上，而顯著的熔損主要發(fā)生在熔渣-金屬界面上。
又如，高爐出鐵槽的局部熔損，不僅在熔渣表面，而且在熔渣-鐵水界面上也顯著地發(fā)生。產(chǎn)生局部熔損是因為在局部熔損部位的出鐵槽材料-金屬間常常存在薄的液體狀態(tài)的渣膜，渣膜成分上下方向發(fā)生變化，存在著界面張力梯度。由于這種界面張力梯度誘發(fā)渣膜運動，結(jié)果則有效地促進了擴展層的物質(zhì)遷移，而且也引起了耐火材料的磨損加大。
再如，向井楠宏等人用CaO - Al2O3 - SiO2溶渣及CaO - Al2O3 - CaF2熔渣研究過Al2O3 - C質(zhì)連鑄用浸入式水口材料的(粉末-金屬)界面局部熔損。他們的研究是采用X射線透射裝置，直接觀察局部熔損進行中的水口材料(坩堝)-熔渣-金屬三相邊界附近的情況。結(jié)果查明，局部熔損部位的熔渣金屬界面，一方面反復進行如圖1所示的上下運動，另一方面則產(chǎn)生了局部熔損。像圖 1那樣的熔渣-金屬界面處于下降期時，水口材料和金屬間浸入了熔渣而形成了渣膜，由水口材料產(chǎn)生氧化物溶解于渣膜中。
如果水口材料表面變成了富石墨化，那么和石墨黏附不好的渣膜就會被綻開而后退，接著則由黏附良好的金屬使水口材料表面被黏著，導致熔渣-金屬界面上升(圖1)。在這個熔渣-金屬界面的上升期間，與金屬直接接觸的石墨便迅速地溶解于金屬中。相反，如果水口材料表面變成了氧化物富化區(qū)，那么同氧化物黏附良好的熔渣會從上部渣相浸入而再次形成渣膜。由于這一過程反復發(fā)生使局部熔損不斷進行。顯然，熔渣-金屬界面上下運動一個周期的時間越短，局部熔損速度就越大。
在實際的連鑄工藝中，因為金屬中的碳濃度低，所以石墨向金屬中的溶解速度快，熔渣-金屬界面的上升期與下降期相比，是非常短的，因而這個上升期便成為局部熔損的主要推進期。這一結(jié)果為我們在材質(zhì)設計時對如何控制連鑄水口在熔渣-金屬界面的局部熔損，提高水口使用壽命提供了重要依據(jù)。
可見，解釋局部熔損機理即可為確立防止局部熔損奠定基礎。另外，從廣義上來看，擴大、深化關于高溫界面現(xiàn)象的研究對于確立抑制耐火材料的局部熔損的對策也是重要的內(nèi)容。
現(xiàn)在看來，可以根據(jù)不同的使用場合，分別采用不同的對策來抑制耐火材料局部熔損的速度。
1.改良材質(zhì)
在實際連鑄中，可根據(jù)Al2O3 -C浸入式水口的局部熔損中熔渣-金屬界面的上升期比下降期顯著短這一特征，認為抑制局部熔損最好是使熔渣-金屬界面的上升期消失，下降期長的觀點進行水口材質(zhì)改良。這方面最有說服力的例子是向井楠宏等人將同熔渣黏附性比石墨更好的BN加到Al2O3 - C浸入式水口材質(zhì)中，結(jié)果實現(xiàn)了上升期基本消失，局部熔損部位的水口材質(zhì)表面經(jīng)常被熔渣覆蓋， 從而隔斷了水口材質(zhì)中的石墨同金屬的直接接觸，抑制了Al2O3 -C浸入式水口的局部溶損。
2.提高耐火材料中低溶解成分的比例
早已了解，MgO-Cr2O3耐火材料對低堿度渣具有良好的抗侵蝕性，因而被廣泛用于VOD、RH等鋼水精煉爐中以及作為熔融還原爐應用的耐火材料的重要候補材料。在這些場合中，隨著MgO - Cr2O3耐火材料中Cr2O3含量的增加局部熔損深度減輕的事實，通過提高配料中Cr2O3含量便能降低局部熔損量，提高使用壽命。
3.開發(fā)新材質(zhì)
仍以連鑄用浸入式水口為例，考慮到ZrO2向熔渣中的溶解速度低，而且ZrO2還可變成微粒懸浮于渣膜中，可提高渣膜表觀黏度，抑制渣膜運動，結(jié)果使下降期的水口材料產(chǎn)生氧化物溶解的速度降低以及使整體的局部熔損被有效地抑制，從而開發(fā)出ZrO2 - C浸入式水口代替Al2O3-C浸入式水口，而使局部熔損得到了有效控制。
4.進行熔渣控制
吉富丈紀等人認為，對于像高爐出鐵槽內(nèi)襯在熔渣-鐵水界面發(fā)生的顯著局部熔損，可以從抑制渣膜運動出發(fā)，采用如下措施來控制：
(1) 在渣膜運動中使碳懸浮。當金屬中的碳濃度接近飽和區(qū)域中碳的濃度時，隨著碳濃度的提高，局部熔損顯著減少，因而認為可以通過增碳操作來抑制局部熔損。
(2) 向熔渣中加入溶解度低而且具有高熔點的氧化物或產(chǎn)生像 ZrO2那種溶解度低的物相(例如ZrO2)。也就是說，通過對熔渣進行控制可有效地抑制耐火材料的局部熔損。
5.改變內(nèi)襯設計
對于發(fā)生在不同種類耐火材料邊界上的顯著熔損主要是設立隔離帶。例如，鋼包內(nèi)襯MgO - C襯磚和高鋁襯磚之間使用MgO - Cr2O3磚(鎂鉻磚)時就不發(fā)生局部熔損;也可以通過改變異種耐火材料接縫的位置來控制不同種類耐火材料邊界上發(fā)生顯著局部熔損的問題。
鎂碳磚常用熱處理窯爐的種類：
鎂碳磚的結(jié)合劑主要是液態(tài)的熱固性酚醛樹脂，鎂碳磚干燥的過程實際上就是熱固性酚醛樹脂的固化過程，所以鎂碳磚成型完畢后需要進行干燥處理。
隨著溫度的升高，熱固性酚醛樹脂的會發(fā)生非常復雜固化反應，這種反應不僅取決于反應溫度、原料結(jié)構(gòu)、酚羥基鄰對位的活性，而且和合成樹脂時選用的催化劑有關，熱固性酚醛樹脂加熱固化時一般分為兩個階段。
第一階段：
溫度低于170℃的時候，主要反應是分子鏈加長，羥甲基與其它分子上活潑氫發(fā)生反應，脫去一分子的水，形成亞甲基鍵。羥甲基與其它分子上的羥甲基發(fā)生反應，脫去一分子的水，形成二芐基醚。以上兩個過程是第一階段固化反應的主要反應，此外還有一部分其他的反應。
第二階段：
當溫度超過170℃后，第二階段的反應開始劇烈，一直到200℃左右，高溫狀態(tài)下酚醛樹脂反應非常復雜，主要包括二芐基醚的進一步反應，二芐基醚鍵不穩(wěn)定，易分解成亞甲基鍵，并逸出甲醛;還有第一階段未反應完的酚醇繼續(xù)反應。第二階段反應特點是固化物成紅棕色，顏色更深點可能是深棕色，這時主要生成的是亞甲基苯醌及其聚合物，反應生成的固形物越來越多，粘度越來越大，它們主要的連接形式是亞甲基鍵，其固化溫度為170～250℃。
根據(jù)熱固性酚醛樹脂的固化原理，一般將鎂碳磚的熱處理溫度設定在200℃。保溫時間一般在10小時以上，之所以熱處理溫度設定在200℃，是因為這個溫度既能保證樹脂完全固化，也不會消耗太多的熱能，而且用普通的燃料和窯爐很容易達到這個溫度，是一個比較經(jīng)濟適用的溫度。
為了保證200℃的熱處理溫度，各個企業(yè)根據(jù)自身特點設計了很多不同形式的窯爐。根據(jù)窯爐的發(fā)熱形式可分為煤窯、電阻絲窯和微波熱處理窯，這三類窯爐各有自己的特點，下面將逐一介紹。
鎂碳磚常用熱處理窯爐的種類
1、煤窯
煤窯是早期鎂碳磚生產(chǎn)廠家最早采用的一種熱處理窯，煤窯設計的時候?qū)煹婪植荚诟G內(nèi)，如圖1所示，剛剛維修過的部位即為損毀的煙道，當煤燃燒時高溫的煙氣從煙道走過，從而使窯內(nèi)溫度升高。煤窯設計的時候基本上沒有任何電器輔助設備，只有在窯頭和窯尾各有一個溫度計，用來觀察窯內(nèi)溫度。
煤窯作為一種熱處理方式被人所采用，則必定有它一定的特點。鎂碳磚剛開始出現(xiàn)的時候，人們對它的外觀其實并不太注重，使用效果的好壞更能吸引人們的眼球，所以這種很原始的窯爐就進入了人的視線，只要達到了鎂碳磚熱處理的效果就可以了，所以他的很多缺點就被人忽視了。
2、電阻絲窯
隨著鎂碳磚的發(fā)展，人們對熱處理窯的要求越來越高，這時候煤窯的很多缺點開始顯露出來，比如說窯溫的不穩(wěn)定，產(chǎn)品外觀不美觀，煙霧熏燒痕跡嚴重等等。于是人們開始設計電阻絲窯來替代煤窯，圖2即為電阻絲窯內(nèi)部排列的用于加熱的電阻絲，電阻絲窯相對于煤窯來說很多優(yōu)點：
(1)升溫速度快，溫度均勻，溫度控制精確;
(2)生產(chǎn)環(huán)境好，無灰塵，無熏燒痕跡;
(3)全程自動化控制，無需人為干擾，安全度高;
(4)由于電阻絲窯是全窯均勻加熱，溫度均勻穩(wěn)定，所以整個窯體壽命長，基本上能做到全程無需維修，唯一需要跟換的就是電阻絲。
由以上幾點就可以看出采用電阻絲窯是現(xiàn)代化生產(chǎn)的趨勢，完全取代煤窯是指日可待的，事實上也證明了這一點。當然相對于電阻絲窯來說煤窯并不是一無是處，它有一個不可忽略的優(yōu)點，那就是熱處理成本低，根據(jù)實際生產(chǎn)比較，煤窯熱處理一噸鎂碳磚的成本比電阻絲窯熱處理一噸鎂碳磚的成本要低30~50元，現(xiàn)階段除了少數(shù)比較落后的生產(chǎn)廠家和追求低成本的廠家還保留了一部分煤窯外，其余廠家基本上都是電阻絲窯。
3、微波熱處理窯
微波熱處理窯是一種新型熱處理設備，雖然它的理論依據(jù)很早以前就已經(jīng)確立了，而且早已應用在微波爐上，但其真正投入到工業(yè)化生產(chǎn)上來的時間并不太長，其很多技術和經(jīng)驗并不像電阻絲窯那樣豐富，特別是鎂碳磚的熱處理過程，不僅僅是水分揮發(fā)的過程，還是酚醛樹脂固化的過程。
對于只干燥水分來說，微波熱處理窯有以下特點：
(1)干燥速度快，節(jié)省時間。常規(guī)方法如：蒸汽干燥法、電熱干燥法、熱風干燥法等，將含水量在30%左右的坯體脫水至含水量在1%以下，至少需二十幾個小時，而采用新型的微波熱處理設備僅僅只需要二十多分鐘即可完成;含水量在10%左右的坯體脫水至含水量在1%以下采用常規(guī)方法需十多個小時，而采用新型的微波熱處理設備僅僅需要十多分鐘;而含水量在5%左右的坯體脫水至含水量在1%以下采用常規(guī)方法需六到七個小時，采用微波熱處理設備幾分鐘就能完成。
(2)能源利用率高，便于操作。因為微波是直接作用于物料的，所以沒有額外的熱量消耗，而常規(guī)發(fā)熱式的干燥設備，受環(huán)境的影響熱損失很大，特別是冬天熱損非常大。而且微波熱處理設備加熱速度快，隨用隨開，不用像常規(guī)發(fā)熱式干燥設備那樣需要升溫降溫，節(jié)省了熱量。同時功率可調(diào)，操作方便。
(3)效果好，能保持物料原色，不開裂。微波加熱不需要介質(zhì)來進行熱傳導，微波直接作用于物料，使其自身發(fā)熱，升溫速度快，溫度均勻，不會造成物料裂變現(xiàn)象。
(4)流水線式操作，工作環(huán)境好。相對于普通的熱處理方法而言，微波熱處理設備簡潔明了，占地面積小，附屬設備少，只要有最基本的條件水、電就可以投入生產(chǎn)。相比而言，一般可節(jié)電30%~50%，優(yōu)化工作條件，節(jié)省工作占地面積。而且設備操作簡單，整套設備的操作只需三人左右，運行時噪音小，極大地改善了現(xiàn)場工作環(huán)境。
黃漢生指出在微波爐中，通過一個微波發(fā)生器產(chǎn)生高頻振蕩的交變電場，使置于電場中的極性分子吸收微波能，并通過分子間的碰撞、摩擦將微波能轉(zhuǎn)化為熱能，該熱能促使熱固性樹脂發(fā)生交聯(lián)反應，從而達到固化的目的。郭玉香，曲殿利通過實驗得出微波對鎂碳磚進行熱處理可以在較低的溫度較短的時間內(nèi)獲得磚坯強度，改善鎂碳磚的顯微結(jié)構(gòu)和宏觀性能;微波熱處理鎂碳磚使其性能提高的原因在于鎂碳磚中形成了連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的碳，與鎂砂顆粒結(jié)合緊密;在實驗范圍內(nèi)微波加熱的最佳工藝條件為微波輸出功率700W，熱處理時間10min。雖說如何選擇微波熱處理窯來熱處理鎂碳磚已經(jīng)有了一些研究，但是這些成果還遠遠不夠，還需要人們進一步摸索和總結(jié)。
鎂碳磚制磚特點：
鎂碳磚有燒成油浸鎂碳磚和不燒鎂碳磚兩種制磚方法。前者制磚工藝比較復雜，很少采用，此處只簡要敘述不燒鎂碳磚的制磚工藝特點。
泥料的制備。配種時顆粒臨界尺寸的選擇是重要的。骨料顆粒細化，可減少開口氣孔率，增強抗氧化能力。但是骨料顆粒小，會使閉口氣孔增加，體積密度降低。另外，細粒MgO骨料容易和石墨反應，通常認為顆粒粒徑1mm為宜。在有高壓成型設備的條件下，鎂砂的顆粒趨向于微細化。我國成型設備的壓力較低，為了提高耐火磚密度，許多廠家采用5mm以上的顆粒直徑。
配料中加入石墨的質(zhì)量和數(shù)量至關重要。一般來說，增加耐火磚中石墨含量，耐火磚的抗渣性和熱震穩(wěn)定性會提高，但強度和抗氧化性均會降低，若鎂碳磚中碳含量太少(<10%)，耐火磚中不能形成網(wǎng)絡骨架，則碳的優(yōu)勢不能有效地發(fā)揮。所以，碳含量在10—20%范圍內(nèi)較為合適。
混料過程中，為了使石墨均勻地包圍在鎂砂顆粒周圍，加料順序應為：鎂砂顆?！Y(jié)合劑→石墨→鎂砂細粉與添加劑粉。由于石墨含量大、密度小，添加劑量又非常少，欲混合均勻，需要較長的時間，但混合時間過長又容易使鎂砂顆粒周圍的石墨和細粉脫落，所以混合時間要適當。
鎂碳磚有燒成油浸鎂碳磚和不燒鎂碳磚兩種制磚方法。前者制磚工藝比較復雜，很少采用，此處只簡要敘述不燒鎂碳磚的制磚工藝特點。
泥料的制備。配種時顆粒臨界尺寸的選擇是重要的。骨料顆粒細化，可減少開口氣孔率，增強抗氧化能力。但是骨料顆粒小，會使閉口氣孔增加，體積密度降低。另外，細粒MgO骨料容易和石墨反應，通常認為顆粒粒徑1mm為宜。在有高壓成型設備的條件下，鎂砂的顆粒趨向于微細化。我國成型設備的壓力較低，為了提高耐火磚密度，許多廠家采用5mm以上的顆粒直徑。
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