镁钙质耐火材料是一种以MgO为主要成分并含有部分CaO的碱性耐火材料,具有耐火度高、抗渣性强以及良好的净化钢水等性能。镁钙质耐火材料因其优良的特性而越来越受到青睐,广泛应用于冶炼洁净钢、不锈钢、特种钢等高性能钢的精炼设备的关键区域,以保证精炼设备能够实现长期稳定运转和提高其炉衬的使用寿命。
然而,在镁钙质耐火材料中,游离CaO由于发生水化反应而体积膨胀,导致其在工作面产生龟裂以及局部的剥落,最终促使材料不能进一步使用。抗水化性差是制约镁钙质耐火材料安全运行和效能发挥的因素。因此,利用纳米技术改善抗水化性能来提升镁钙质耐火材料的使用性能,从而延长精炼设备的使用寿命。
在镁钙质耐火材料中,纳米粉体作为添加剂引入,来提高其抗水化性能。该作用机理主要有两种途径,其一是引入纳米颗粒与游离CaO反应形成低熔点相,促进烧结致密化,使晶粒长大,减少粒界的接触概率,消耗基体中的游离CaO,从而起到防水化作用。其二是引入纳米颗粒在耐火材料的表面形成一层次界面,阻断了外界环境与镁钙质耐火材料的表面直接接触,以提高抗水化性能。
引入纳米Al2O3、纳米Fe2O3等纳米颗粒可与游离CaO反应形成低熔点相,促进晶粒长大,减少颗粒表面与大气接触机率,而提高抗水化性能,但是需要通过调整纳米颗粒的含量,进而控制液相含量,避免由于大量的液相存在而降低耐火材料的耐火度,使材料无法达到工作使用的要求。引入纳米ZrO2、纳米MgAl2O4等纳米颗粒形成一个保护层,以隔绝与空气的直接接触,从而起到防水化作用,但是由于这些纳米颗粒与基体颗粒之间热膨胀系数不匹配,易形成热应力,从而更容易产生裂纹、分层、脱离等现象,导致不能进一步使用。因此,在利用纳米技术改善镁钙质耐火材料方面,仍然处于探索究阶段,工艺参数还需要进一步优化。