转炉用镁炭砖：性能机理、关键影响因素与技术进展

在现代炼钢工艺中，转炉内衬材料面临着极其严苛的服役环境。纯镁质材料（MgO熔点2805°C）虽以其优异的耐火性能和对碱性炉渣的良好抗性而备受青睐，但其固有的高线膨胀系数（在0-1500°C范围内高达 (14-15)×10^-6°C^-1）和较低的高温热导率（例如，1000°C时仅为6.70 W/(m·K)），导致其抗热剥落能力成为显著短板。

与此同时，石墨材料则呈现出几乎互补的特性。其熔点超过3000°C，线膨胀系数极低（25-1600°C时为3.34×10^-6°C^-1），并且拥有卓越的导热性能（1000°C时热导率高达229 W/(m·K)），这赋予了它出色的抗热剥落性。然而，石墨易于氧化的天性（鳞片石墨在580°C以上开始显著氧化）是其应用中的主要掣肘。将石墨引入镁质材料，制备成镁炭砖，正是利用了二者在性能上的协同与互补，从而显著提升了材料的综合抗渣侵蚀和抗热剥落能力。

性能协同机理：镁炭砖为何如此优越？

镁炭砖的优异性能，包括抗炉渣侵蚀、抗铁水渗透及热震稳定性，根植于其独特的微观结构和在高温下发生的一系列复杂物理化学反应。

1. 稳固的碳结合网络与原位化学反应：在镁炭砖基质中，镁砂颗粒与石墨被牢固的碳碳结合网络所包裹。由于C与MgO之间无共熔关系，在高温下不形成液相（仅原料杂质会带来微量液相），结构稳定性极高。当炉渣中渗透性极强的氧化铁（FeO）接触到碳时，会发生还原反应生成金属铁。这一反应不仅消耗了侵蚀性组分，更关键的是它提升了炉渣的熔点和黏度，从而大幅削弱了其渗透能力。

2. 优异的抗润湿性：石墨与钢水、炉渣的润湿角均大于90°，呈现出天然的不润湿特性。这意味着熔融的炉渣和铁水难以附着和渗透到砖体内部，从物理层面构筑了一道有效的防线，使镁炭砖表现出卓越的抗侵蚀性。

3. 自生致密方镁石层的防护：在超过400°C的工况下，砖体内的MgO会与碳反应，生成镁蒸气（Mg）。这些镁蒸气沿材料的气孔向外迁移，当到达砖体与炉渣的接触界面时，会与渣中的FeO再次反应，重新生成MgO。这个过程在砖体热面形成了一层新的、致密的方镁石（Periclase）层，有效地封堵了气孔，物理性地阻止了炉渣的进一步渗透。

4. CO气体的反压作用：渗透入砖体气孔的炉渣与碳反应，会生成CO气体。在密闭的气孔通道中，这些气体能够形成高达0.2MPa（约2个大气压）的内部压力。这种正向压力可以有效地抵抗甚至反推炉渣的渗入，起到延迟侵蚀的作用。

石墨原料：决定镁炭砖性能的命脉

镁炭砖的性能高度依赖于其中石墨的质量。对石墨原料的选择与控制，是生产高性能镁炭砖的核心技术环节。

• 纯度的影响：石墨纯度对镁炭砖性能有决定性影响。研究数据表明，随着石墨纯度的提升，镁炭砖的侵蚀指数急剧下降，同时高温抗折强度显著增强。当纯度超过95%时，这种性能提升尤为明显。因此，在实际生产中，用于镁炭砖的石墨固定碳含量通常要求在95%以上。

• 灰分的影响：石墨中的杂质，即灰分，对性能极为不利。例如，当灰分中SiO₂的含量超过3%时，砖的侵蚀指数会明显上升。SiO₂、Al₂O₃等杂质不仅会降低材料的整体耐火度，还会对砖的抗氧化性能产生负面影响。因此，对石墨原料的要求是灰分含量越低越好。

• 抗氧化性的影响：含碳耐火材料的损毁，其限制性环节往往是碳的氧化速度。石墨自身的抗氧化性直接决定了镁炭砖的耐蚀性。石墨的结晶完整度越高、比表面积越小，其抗氧化能力就越强。生产中倾向于选用结晶完整、石墨化程度高的大鳞片石墨。

• 粒度和形状的影响：相比土状石墨，鳞片石墨不仅纯度更高，结晶也更完好。在含碳制品中，普遍采用鳞片石墨，并且倾向于选择鳞片尺寸更大、厚度更薄的规格。过小的石墨粒度会恶化泥料的混炼与成型性能，并降低材料的抗氧化性。

精确控制石墨的纯度、灰分组成、晶体结构和形貌对于生产高品质镁炭砖至关重要，这些复杂的材料特性评估需要精密的分析手段和专业的解读。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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提升与优化：抗氧化技术路径

要充分发挥镁炭砖的性能，核心在于保护其中的石墨免于过早氧化。工业实践中已发展出多种行之有效的防氧化措施。

1. 物理致密化：通过优化颗粒级配、选用高性能结合剂，并采用高吨位真空压力机成型，可以显著提高镁炭砖的体积密度，降低显气孔率。一方面，这减少了砖体内残留的氧；另一方面，也封堵了外部氧气和氧化物侵入的通道。

2. 添加抗氧化剂：在配料中引入Al、Si、Mg、Al-Si、Al-Mg、SiC、B₄C等添加剂。这些物质在高温下比碳更易与氧反应，从而优先牺牲自己，保护石墨。在转炉用镁炭砖中，金属铝粉是常用且高效的抗氧化剂，它不仅能防止石墨氧化，还能在反应后生成新的陶瓷相，提高砖的高温抗折强度。研究显示，铝粉的适宜加入量为1%-3%，过低则效果不彰，过高则可能损害抗渣性和抗热剥落性。

3. 石墨改性处理：对石墨原料本身进行抗氧化处理也是一种先进的策略。例如，通过化学方法将某些插入剂分子引入石墨的层状结构中，形成石墨层间化合物。在高温使用时，这些插入物分解膨胀，能使石墨片层撑开，产生微膨胀效应。这种效应能使砖体基质更加致密，从而提升抗氧化和抗渣侵蚀能力。

4. 表面抗氧化涂层：在镁炭砖表面，尤其是在砌筑好的转炉炉衬进行烘烤前，涂覆一层专用的抗氧化涂层，可以有效地在升温阶段保护砖体表面的石墨，起到良好的防护效果。

绿色化发展：环保型镁炭砖的探索

传统镁炭砖在高温使用过程中，其结合剂（如酚醛树脂、沥青）可能会分解挥发出有毒气体，对环境和操作人员健康构成威胁。因此，开发环保型镁炭砖已成为行业的重要发展方向。

• 优化结合剂：采用更少量的树脂结合剂是直接途径，但用量减少会影响常温强度和抗热震性，通常认为3%左右是较为适宜的平衡点。
• 高残碳结合剂：选择具有更高残碳率、更低挥发分的结合剂，可以从源头上减少有毒物质的挥发。
• 预先碳化处理：在使用前对镁炭砖进行预碳化热处理，将有害的挥发分提前去除，从而在使用过程中实现零排放或低排放。
• 结合剂无害化：对沥青等传统结合剂进行改性处理，使其在高温分解过程中不产生或少产生有毒物质。

国家标准与技术指标参考

我国国家标准GB/T 22589—2008对转炉用镁炭砖的理化指标做出了明确规定，为生产和应用提供了依据。

表1 镁炭砖的理化指标（GB/T 22589—2008）