中文名：镁碳砖

英文名：magnesia carbon brick

定义：镁碳砖是以高熔点碱性氧化物氧化镁(熔点2800℃)和难以被炉渣侵润的高熔点碳素材料作为原料，添加各种非氧化物添加剂。用炭质结合剂结合而成的不烧炭复合耐火材料。

镁碳砖是以高熔点碱性氧化物氧化镁(熔点2800℃)和难以被炉渣侵润的高熔点碳素材料作为原料，添加各种非氧化物添加剂。用炭质结合剂结合而成的不烧碳复合耐火材料。镁碳砖主要用于转炉、交流电弧炉、直流电弧炉的内衬，钢包的渣线等部位。

镁碳砖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。

特点：

1、具有良好的耐高温性能

2、抗渣能力强

3、抗热震性好

4、高温蠕变低

理化指标：

用途：

镁碳砖主要用于转炉、交流电弧炉、直流电弧炉的内衬，钢包的渣线等部位。镁碳砖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。

早期钢包渣线部位使用的耐火材料是直接结合镁铬砖，电熔再结合镁铬砖等优质碱性砖。MgO-C砖成功在转炉上使用后，精炼钢包渣线部位也开始使用MgO-C砖，并取得了良好的使用效果。目前，我国和日本一般都使用含碳量为12%～20%的以树脂结合的MgO-C砖，而欧洲多采用沥青结合的MgO-C砖,含碳量一般在10%左右。

日本住友金属公司小仓钢铁厂在VAD渣线部位使用MgO含量为83%，C含量为14-17%的MgO-C砖代替直接结合镁铬砖，渣线部位的寿命从20次提高到30-32次[9]。日本仙台钢铁厂LF精炼钢包，利用MgO-C砖代替镁铬砖，渣线部位寿命从20-25次提高到40次，取得了不错效果。大阪窑业耐火材料公司研究了碳含量，抗氧化剂种类对MgO-C砖抗氧化性，抗渣性及高温抗折强度的影响。研究认为：由电熔镁砂与烧结镁砂组成的混合物，外加15%磷片石墨及少量镁铝合金作抗氧化剂制得的MgO-C砖，具有很好的使用效果，在容量为100吨LF钢包渣线使用，与不含抗氧化剂的C含量为18%的MgO-C砖相比，损毁速率降低20-30%，平均侵蚀速度为1.2-1.3mm/炉。

我国精炼钢包渣线砖自从采用MgO-C砖代替镁铬砖后，综合使用效果明显。宝钢股份总公司300t钢包渣线从1989年7月开始使用MT−14A镁碳砖，渣线寿命保持在100次以上;150T电炉钢包渣线采用低碳镁碳砖冶炼帘线钢，出钢温度1600℃～1670℃，取得了明显效果。

镁碳砖的蚀损及控制：

复合耐火材料作为钢铁冶炼过程中使用的重要材质或者关键部件而被广泛使用，但由于它们在熔渣-金属界面使用时往往产生局部溶损而左右其使用寿命。

一例如，现代钢包通常采用MgO-C砖(镁碳砖)以加强渣线部位而一般壁则采用氧化物系耐火材料分区筑衬的方案，但往往在两种材质边界上却会发生局部溶损的问题，结果则导致寿命降低而报废。这种局部熔损发生在不同种类耐火材料的边界上，而显著的熔损主要发生在熔渣-金属界面上。

又如，高炉出铁槽的局部熔损，不仅在熔渣表面，而且在熔渣-铁水界面上也显著地发生。产生局部熔损是因为在局部熔损部位的出铁槽材料-金属间常常存在薄的液体状态的渣膜，渣膜成分上下方向发生变化，存在着界面张力梯度。由于这种界面张力梯度诱发渣膜运动，结果则有效地促进了扩展层的物质迁移，而且也引起了耐火材料的磨损加大。

再如，向井楠宏等人用CaO - Al2O3 - SiO2溶渣及CaO - Al2O3 - CaF2熔渣研究过Al2O3 - C质连铸用浸入式水口材料的(粉末-金属)界面局部熔损。他们的研究是采用X射线透射装置，直接观察局部熔损进行中的水口材料(坩埚)-熔渣-金属三相边界附近的情况。结果查明，局部熔损部位的熔渣金属界面，一方面反复进行如图1所示的上下运动，另一方面则产生了局部熔损。像图 1那样的熔渣-金属界面处于下降期时，水口材料和金属间浸入了熔渣而形成了渣膜，由水口材料产生氧化物溶解于渣膜中。

如果水口材料表面变成了富石墨化，那么和石墨黏附不好的渣膜就会被绽开而后退，接着则由黏附良好的金属使水口材料表面被黏着，导致熔渣-金属界面上升(图1)。在这个熔渣-金属界面的上升期间，与金属直接接触的石墨便迅速地溶解于金属中。相反，如果水口材料表面变成了氧化物富化区，那么同氧化物黏附良好的熔渣会从上部渣相浸入而再次形成渣膜。由于这一过程反复发生使局部熔损不断进行。显然，熔渣-金属界面上下运动一个周期的时间越短，局部熔损速度就越大。

在实际的连铸工艺中，因为金属中的碳浓度低，所以石墨向金属中的溶解速度快，熔渣-金属界面的上升期与下降期相比，是非常短的，因而这个上升期便成为局部熔损的主要推进期。这一结果为我们在材质设计时对如何控制连铸水口在熔渣-金属界面的局部熔损，提高水口使用寿命提供了重要依据。

可见，解释局部熔损机理即可为确立防止局部熔损奠定基础。另外，从广义上来看，扩大、深化关于高温界面现象的研究对于确立抑制耐火材料的局部熔损的对策也是重要的内容。

现在看来，可以根据不同的使用场合，分别采用不同的对策来抑制耐火材料局部熔损的速度。

1.改良材质

在实际连铸中，可根据Al2O3 -C浸入式水口的局部熔损中熔渣-金属界面的上升期比下降期显著短这一特征，认为抑制局部熔损最好是使熔渣-金属界面的上升期消失，下降期长的观点进行水口材质改良。这方面最有说服力的例子是向井楠宏等人将同熔渣黏附性比石墨更好的BN加到Al2O3 - C浸入式水口材质中，结果实现了上升期基本消失，局部熔损部位的水口材质表面经常被熔渣覆盖， 从而隔断了水口材质中的石墨同金属的直接接触，抑制了Al2O3 -C浸入式水口的局部溶损。

2.提高耐火材料中低溶解成分的比例

早已了解，MgO-Cr2O3耐火材料对低碱度渣具有良好的抗侵蚀性，因而被广泛用于VOD、RH等钢水精炼炉中以及作为熔融还原炉应用的耐火材料的重要候补材料。在这些场合中，随着MgO - Cr2O3耐火材料中Cr2O3含量的增加局部熔损深度减轻的事实，通过提高配料中Cr2O3含量便能降低局部熔损量，提高使用寿命。

3.开发新材质

仍以连铸用浸入式水口为例，考虑到ZrO2向熔渣中的溶解速度低，而且ZrO2还可变成微粒悬浮于渣膜中，可提高渣膜表观黏度，抑制渣膜运动，结果使下降期的水口材料产生氧化物溶解的速度降低以及使整体的局部熔损被有效地抑制，从而开发出ZrO2 - C浸入式水口代替Al2O3-C浸入式水口，而使局部熔损得到了有效控制。

4.进行熔渣控制

吉富丈纪等人认为，对于像高炉出铁槽内衬在熔渣-铁水界面发生的显著局部熔损，可以从抑制渣膜运动出发，采用如下措施来控制：

(1) 在渣膜运动中使碳悬浮。当金属中的碳浓度接近饱和区域中碳的浓度时，随着碳浓度的提高，局部熔损显著减少，因而认为可以通过增碳操作来抑制局部熔损。

(2) 向熔渣中加入溶解度低而且具有高熔点的氧化物或产生像 ZrO2那种溶解度低的物相(例如ZrO2)。也就是说，通过对熔渣进行控制可有效地抑制耐火材料的局部熔损。

5.改变内衬设计

对于发生在不同种类耐火材料边界上的显著熔损主要是设立隔离带。例如，钢包内衬MgO - C衬砖和高铝衬砖之间使用MgO - Cr2O3砖(镁铬砖)时就不发生局部熔损;也可以通过改变异种耐火材料接缝的位置来控制不同种类耐火材料边界上发生显著局部熔损的问题。

镁碳砖常用热处理窑炉的种类：

镁碳砖的结合剂主要是液态的热固性酚醛树脂，镁碳砖干燥的过程实际上就是热固性酚醛树脂的固化过程，所以镁碳砖成型完毕后需要进行干燥处理。

随着温度的升高，热固性酚醛树脂的会发生非常复杂固化反应，这种反应不仅取决于反应温度、原料结构、酚羟基邻对位的活性，而且和合成树脂时选用的催化剂有关，热固性酚醛树脂加热固化时一般分为两个阶段。

第一阶段：

温度低于170℃的时候，主要反应是分子链加长，羟甲基与其它分子上活泼氢发生反应，脱去一分子的水，形成亚甲基键。羟甲基与其它分子上的羟甲基发生反应，脱去一分子的水，形成二苄基醚。以上两个过程是第一阶段固化反应的主要反应，此外还有一部分其他的反应。

第二阶段：

当温度超过170℃后，第二阶段的反应开始剧烈，一直到200℃左右，高温状态下酚醛树脂反应非常复杂，主要包括二苄基醚的进一步反应，二苄基醚键不稳定，易分解成亚甲基键，并逸出甲醛;还有第一阶段未反应完的酚醇继续反应。第二阶段反应特点是固化物成红棕色，颜色更深点可能是深棕色，这时主要生成的是亚甲基苯醌及其聚合物，反应生成的固形物越来越多，粘度越来越大，它们主要的连接形式是亚甲基键，其固化温度为170～250℃。

根据热固性酚醛树脂的固化原理，一般将镁碳砖的热处理温度设定在200℃。保温时间一般在10小时以上，之所以热处理温度设定在200℃，是因为这个温度既能保证树脂完全固化，也不会消耗太多的热能，而且用普通的燃料和窑炉很容易达到这个温度，是一个比较经济适用的温度。

为了保证200℃的热处理温度，各个企业根据自身特点设计了很多不同形式的窑炉。根据窑炉的发热形式可分为煤窑、电阻丝窑和微波热处理窑，这三类窑炉各有自己的特点，下面将逐一介绍。

镁碳砖常用热处理窑炉的种类

1、煤窑

煤窑是早期镁碳砖生产厂家最早采用的一种热处理窑，煤窑设计的时候将烟道分布在窑内，如图1所示，刚刚维修过的部位即为损毁的烟道，当煤燃烧时高温的烟气从烟道走过，从而使窑内温度升高。煤窑设计的时候基本上没有任何电器辅助设备，只有在窑头和窑尾各有一个温度计，用来观察窑内温度。

煤窑作为一种热处理方式被人所采用，则必定有它一定的特点。镁碳砖刚开始出现的时候，人们对它的外观其实并不太注重，使用效果的好坏更能吸引人们的眼球，所以这种很原始的窑炉就进入了人的视线，只要达到了镁碳砖热处理的效果就可以了，所以他的很多缺点就被人忽视了。

2、电阻丝窑

随着镁碳砖的发展，人们对热处理窑的要求越来越高，这时候煤窑的很多缺点开始显露出来，比如说窑温的不稳定，产品外观不美观，烟雾熏烧痕迹严重等等。于是人们开始设计电阻丝窑来替代煤窑，图2即为电阻丝窑内部排列的用于加热的电阻丝，电阻丝窑相对于煤窑来说很多优点：

(1)升温速度快，温度均匀，温度控制精确;

(2)生产环境好，无灰尘，无熏烧痕迹;

(3)全程自动化控制，无需人为干扰，安全度高;

(4)由于电阻丝窑是全窑均匀加热，温度均匀稳定，所以整个窑体寿命长，基本上能做到全程无需维修，唯一需要跟换的就是电阻丝。

由以上几点就可以看出采用电阻丝窑是现代化生产的趋势，完全取代煤窑是指日可待的，事实上也证明了这一点。当然相对于电阻丝窑来说煤窑并不是一无是处，它有一个不可忽略的优点，那就是热处理成本低，根据实际生产比较，煤窑热处理一吨镁碳砖的成本比电阻丝窑热处理一吨镁碳砖的成本要低30~50元，现阶段除了少数比较落后的生产厂家和追求低成本的厂家还保留了一部分煤窑外，其余厂家基本上都是电阻丝窑。

3、微波热处理窑

微波热处理窑是一种新型热处理设备，虽然它的理论依据很早以前就已经确立了，而且早已应用在微波炉上，但其真正投入到工业化生产上来的时间并不太长，其很多技术和经验并不像电阻丝窑那样丰富，特别是镁碳砖的热处理过程，不仅仅是水分挥发的过程，还是酚醛树脂固化的过程。

对于只干燥水分来说，微波热处理窑有以下特点：

(1)干燥速度快，节省时间。常规方法如：蒸汽干燥法、电热干燥法、热风干燥法等，将含水量在30%左右的坯体脱水至含水量在1%以下，至少需二十几个小时，而采用新型的微波热处理设备仅仅只需要二十多分钟即可完成;含水量在10%左右的坯体脱水至含水量在1%以下采用常规方法需十多个小时，而采用新型的微波热处理设备仅仅需要十多分钟;而含水量在5%左右的坯体脱水至含水量在1%以下采用常规方法需六到七个小时，采用微波热处理设备几分钟就能完成。

(2)能源利用率高，便于操作。因为微波是直接作用于物料的，所以没有额外的热量消耗，而常规发热式的干燥设备，受环境的影响热损失很大，特别是冬天热损非常大。而且微波热处理设备加热速度快，随用随开，不用像常规发热式干燥设备那样需要升温降温，节省了热量。同时功率可调，操作方便。

(3)效果好，能保持物料原色，不开裂。微波加热不需要介质来进行热传导，微波直接作用于物料，使其自身发热，升温速度快，温度均匀，不会造成物料裂变现象。

(4)流水线式操作，工作环境好。相对于普通的热处理方法而言，微波热处理设备简洁明了，占地面积小，附属设备少，只要有最基本的条件水、电就可以投入生产。相比而言，一般可节电30%~50%，优化工作条件，节省工作占地面积。而且设备操作简单，整套设备的操作只需三人左右，运行时噪音小，极大地改善了现场工作环境。

黄汉生指出在微波炉中，通过一个微波发生器产生高频振荡的交变电场，使置于电场中的极性分子吸收微波能，并通过分子间的碰撞、摩擦将微波能转化为热能，该热能促使热固性树脂发生交联反应，从而达到固化的目的。郭玉香，曲殿利通过实验得出微波对镁碳砖进行热处理可以在较低的温度较短的时间内获得砖坯强度，改善镁碳砖的显微结构和宏观性能;微波热处理镁碳砖使其性能提高的原因在于镁碳砖中形成了连续网状结构的碳，与镁砂颗粒结合紧密;在实验范围内微波加热的最佳工艺条件为微波输出功率700W，热处理时间10min。虽说如何选择微波热处理窑来热处理镁碳砖已经有了一些研究，但是这些成果还远远不够，还需要人们进一步摸索和总结。

镁碳砖制砖特点：

镁碳砖有烧成油浸镁碳砖和不烧镁碳砖两种制砖方法。前者制砖工艺比较复杂，很少采用，此处只简要叙述不烧镁碳砖的制砖工艺特点。

泥料的制备。配种时颗粒临界尺寸的选择是重要的。骨料颗粒细化，可减少开口气孔率，增强抗氧化能力。但是骨料颗粒小，会使闭口气孔增加，体积密度降低。另外，细粒MgO骨料容易和石墨反应，通常认为颗粒粒径1mm为宜。在有高压成型设备的条件下，镁砂的颗粒趋向于微细化。我国成型设备的压力较低，为了提高耐火砖密度，许多厂家采用5mm以上的颗粒直径。

配料中加入石墨的质量和数量至关重要。一般来说，增加耐火砖中石墨含量，耐火砖的抗渣性和热震稳定性会提高，但强度和抗氧化性均会降低，若镁碳砖中碳含量太少(<10%)，耐火砖中不能形成网络骨架，则碳的优势不能有效地发挥。所以，碳含量在10—20%范围内较为合适。

混料过程中，为了使石墨均匀地包围在镁砂颗粒周围，加料顺序应为：镁砂颗粒→结合剂→石墨→镁砂细粉与添加剂粉。由于石墨含量大、密度小，添加剂量又非常少，欲混合均匀，需要较长的时间，但混合时间过长又容易使镁砂颗粒周围的石墨和细粉脱落，所以混合时间要适当。

镁碳砖有烧成油浸镁碳砖和不烧镁碳砖两种制砖方法。前者制砖工艺比较复杂，很少采用，此处只简要叙述不烧镁碳砖的制砖工艺特点。

泥料的制备。配种时颗粒临界尺寸的选择是重要的。骨料颗粒细化，可减少开口气孔率，增强抗氧化能力。但是骨料颗粒小，会使闭口气孔增加，体积密度降低。另外，细粒MgO骨料容易和石墨反应，通常认为颗粒粒径1mm为宜。在有高压成型设备的条件下，镁砂的颗粒趋向于微细化。我国成型设备的压力较低，为了提高耐火砖密度，许多厂家采用5mm以上的颗粒直径。