随着社会的飞速发展,合金钢、低碳钢等钢种的需求越来越大,对冶金耐火材料的要求也越来越高。镁碳制品是冶金领域常用的碱性耐火材料,被广泛用于转炉炉衬、钢包渣线等部位。低碳镁碳制品(碳含量≤8%)可以降低其对钢水渗碳量,缓解钢水脱碳的压力,在冶炼特种钢时具有良好的应用前景。
抗热震性差的耐火材料会因温度变化导致材料表面和内部产生裂纹和缝隙,并且经钢液冲刷后会加剧裂纹的扩张。经多次冲刷后耐火材料损毁就必须停工更换,影响生产。对于低碳镁碳制品来说,碳含量的降低,抗折强度和弯曲模量提高,抗热震性显著降低,从而影响耐火材料的使用寿命。因此提升抗热震性对延长低碳镁碳制品的使用寿命,提高钢厂冶金效率有着重要意义。
一、原料对镁碳制品抗热震性的影响
低碳镁碳制品的原料通常为镁砂和鳞片石墨,其中镁砂是镁碳制品的主体部分。镁砂根据其处理方式和设备的不同可分为电熔镁砂和烧结镁砂。电熔镁砂和烧结镁砂也根据各自的纯度分为不同的档次。通常来说所用镁砂的档次越高,镁碳制品的性能越好。同等档次电熔镁砂的抗渣性和抗热震性均优于烧结镁砂的,且随着镁砂档次的提高,耐压强度升高,线膨胀率降低。
镁碳砖是由不同粒径大小的镁砂颗粒,按照一定的比例混合构成。镁碳材料不仅仅与镁砂种类和档次有关,还与镁砂的颗粒配比有关。减小临界粒度,增大小颗粒镁砂所占比例,有利于降低材料的热膨胀系数,进而提高材料的抗热震性。镁砂临界粒度降低有利于提高石墨、添加剂对颗粒的包裹。适当提高大、中颗粒镁砂的占比会增强镁碳材料的耐压强度和抗侵蚀能力。
因此,单从抗热震性方面考虑,选择纯度高、档次高的镁砂,低临界粒度低、大颗粒占比高的配方制备出的低碳镁碳材料的抗热震性较好。
二、石墨对镁碳制品抗热震性的影响
镁碳制品一般选用鳞片石墨为碳源,具有导热性好、热膨胀率低的优点。石墨在镁碳制品中起到封闭气孔、阻止熔渣侵蚀等作用。此外,石墨还可以润滑镁砂颗粒表面,减小其在压制过程中大颗粒的损伤。
在抗热震性方面,低碳镁碳制品的抗热震性与碳含量之间的关系接近线性关系。随着碳含量的降低,抗折强度和弯曲模量提高,抗热震性显著降低。将鳞片石墨替换成人造石墨颗粒或不同纳米碳后,抗热震性明显提升。
石墨粒度大小也会影响制品抗热震性。石墨粒度越细,其在制品中的分散度越高,抗热震性越好。但石墨粒度减少会引起材料抗氧化能力下降,需要外加抗氧化剂。
用纳米碳替换传统鳞片石墨是提高低碳镁碳制品抗热震性常用的方法。纳米炭黑具有极小的粒径,还具有纳米材料独有的纳米效应。纳米炭黑可促进树脂固化,将纳米炭黑掺进酚醛树脂中加入到镁碳制品中,可以提高制品的力学强度和抗热震性。但是加入过量的纳米炭黑会使树脂流动性变差,固化过程中产生很多气孔,反而降低力学性能。
碳纤维也是常用的增韧材料,具有热导率高、耐冲击能力强等特点,将碳纤维外加入低碳镁碳制品中,经高温处理后的低碳镁碳制品的高温强度和抗热震性能有明显提高。但是过多加入碳纤维,会影响低碳镁碳材料的抗氧化能力,从而导致低碳镁碳制品的高温强度和抗热震性急剧下降。
抗热震性是低碳镁碳材料的重要性能,但一味地提升低碳镁碳材料的抗热震性可能会影响材料的其他性能,如抗氧化性、抗渣侵蚀性等。所以在研究低碳镁碳材料的抗热震性的同时还要考虑材料的其他性能。