納米技術在鎂質耐火材料中應用的研究進展

高斌斌 李福春

摘 ?要：近年來，我國的化工工程建設的發展迅速，鎂質耐火材料的主要原料是菱鎂礦、白云石和水鎂石，其原料礦物在我國自然界中資源儲備豐富，主要分布于遼寧、山東、河北等沿海地區，為我國鎂質耐火材料的發展提供了有利的資源基礎，這也使中國成為世界上鎂質耐火材料產量和出口量最大的國家。鎂質耐火材料具有高熔點、優異的高溫體積穩定性、良好的力學性能等眾多優點，已被廣泛用于鋼鐵、冶金、建材、陶瓷等高溫工業領域。

關鍵詞：納米技術;鎂質耐火材料;應用研究進展

引言

根據國際標準，耐火材料是指在高溫環境下其化學與物理性質穩定并能正常使用的非金屬（并不排除含有一定比例的金屬）材料與產品。鎂質耐火材料包括鎂磚、鎂鋁磚、鎂鉻磚、鎂橄欖石磚、鎂硅磚、鎂鈣磚、鎂白云石磚和鎂碳磚，主要以MgO為主成分或以MgO與CaO為主成分，通常MgO的質量分數在85%及以上。

1鎂質耐火材料發展

1.1鎂鈣磚發展

近年來，我國不銹鋼以及潔凈鋼發展速度較快，促使鎂質耐火材料以及其相關的使用特點、環保性能、價格等均受到重視，而鎂鈣磚的快速發展促使其大量的應用在不銹鋼以及潔凈鋼等高級鋼種生產的精煉設備中。鎂鈣磚中含有的氧化鈣有著很好的蠕變特點，能夠提高鎂鈣質耐火材料的高溫韌性、耐沖擊性以及耐剝落性，并且其抗高堿度渣的性能要由于鎂鉻磚，煉鋼行業可以在高堿度環境下生產，從而有效提高爐襯的使用壽命;同時，鎂鈣磚的特點還可以改善冶煉鋼的脫硫效果。特別是含有氧化鋯的鎂鈣磚，其各項性能都可以與鎂鉻磚相比，甚至優于鎂鉻磚的性能。鎂鈣磚還具有凈化鋼水的功能，磚中存在的游離氧化鈣可有效吸收鋼水中含有的氧化鋁以及二氧化硅等雜質。我國已經研發出新型的鎂鈣磚，用其替代鎂鉻磚，將其使用在水泥回轉窯的燒成帶上，從而取得非常好的燒成效果。鎂鈣磚本身具有容易水化的特點，進而在生產和使用方面受到的限制較大，雖然在鎂鈣磚的生產中通過磷酸浸漬法、碳化法對其進行有效處理，或是在鎂鈣磚中加入氧化鋁、氧化鋯等材料，利用高溫燒成以及二次煅燒等方式，以及沒有很好的解決鎂鈣磚的水化特點。鎂鈣磚經過成型處理、熱處理以及表面處理，不盡其抗氧化性以及耐蝕性有所提高，并且能夠在襯磚的表面皿形成一層較好的掛渣層，從而保護好襯磚，主要是應用在精煉鋼包的包壁等位置上。

1.2冶金鎂砂發展

冶金鎂砂以高純度材料為主，不僅選擇高質量的天然材料，同時也重視研發和使用人工合成的高質量冶金鎂砂材料，增加其體積密度，增加其晶體的粒徑，降低材料的氣孔率，并減少材料中的有害雜質。基于此，鎂質耐火材料行業需要加快鎂鉻砂、鎂橄欖石砂、鎂白云石砂、鎂鋁尖晶石砂等優質鎂砂的合成發展。為提高燒結合成鎂砂的高溫性能，可以通過以下兩條途徑合成鎂砂：第一，通過選擇合適的鎂礦或是電熔方式減少材料中的雜質，例如：使用浮選、兩步煅燒的工藝來生產高純度的鎂白云石砂;第二，可以通過在材料中加入適量的有益氧化物優化燒結合成鎂砂的高溫性能;或是通過選礦、電熔減少雜質與加入有益氧化物兩種方式結合的辦法來優化其公安文性能，從而研發出更高純度的燒結合成鎂砂以及電熔合成鎂砂。

1.3鎂碳磚發展

鎂碳磚是以碳和氧化鎂為主要材料的一種氧化物和非氧化物合成的復合型耐火材料，其特點因含有的石墨、鎂砂、抗氧化劑、結合劑以及生產技術等存在差異而有很大的班花，主要應用在電爐爐墻、氧氣轉爐爐襯以及鋼包渣線等領域中，具有提高其使用壽命的良好效果。近年來，由于我國不銹鋼和低碳鋼的發展，鎂碳磚會增加鋼中的碳含量，影響鋼的質量，今后鎂碳磚的發展重點則是較低含碳量和高抗氧化性能，將其應用在精煉包和鋼包領域中。為使鎂碳磚符合行業發展需求，提高其生產質量，需要使用優質的鎂碳磚原材料，并采用先進的生產技術，從而確保了生產的效率。鎂鋁碳磚不燒磚具有含碳材料和鋁鎂材料的綜合特點，具有較好的抗熱震性以及抗渣性能，從而很好的克服傳統材料的鋼水滲透和渣滲透所導致的結構剝落問題，進而有效提高其使用壽命。因此，鎂質耐火材料中鎂碳磚的生產和發展前景應以此為標準，提高其質量和性能。

2納米技術在鎂鈣質耐火材料中的應用

鎂鈣質耐火材料是一種以MgO為主要成分并含有部分CaO的堿性耐火材料，具有耐火度高、抗渣性強以及良好的凈化鋼水等性能。鎂鈣質耐火材料因其優良的特性而越來越受到青睞，尤其廣泛應用于冶煉潔凈鋼、不銹鋼、特種鋼等高性能鋼的精煉設備的關鍵區域，以保證精煉設備能夠實現長期穩定運轉和提高其爐襯的使用壽命。然而，在鎂鈣質耐火材料中，游離CaO由于發生水化反應而體積膨脹，導致其在工作面產生龜裂以及局部的剝落，最終促使材料不能進一步使用。抗水化性差是制約鎂鈣質耐火材料安全運行和效能發揮的因素。因此，該領域技術人員嘗試利用納米技術改善抗水化性能來實現鎂鈣質耐火材料壽命，進而使性能大幅度提升.在鎂鈣質耐火材料中，納米粉體作為添加劑引入，來提高其抗水化性能。該作用機理主要有兩種途徑，其一是引入納米顆粒與游離CaO反應形成低熔點相，促進燒結致密化，使晶粒長大，減少粒界的接觸概率，消耗基體中的游離CaO，從而起到防水化作用。以菱鎂礦、白云石為研究對象，以納米Fe2O3為添加劑制備鎂鈣質耐火材料，并經XRD和SEM檢測發現，CF（CaO·Fe2O3）和C2F（2CaO·Fe2O3）液相存在于MgO和CaO顆粒間，增強了燒結性能和抗水化性能，其原因是形成的CF和C2F液相消耗了基體中的游離CaO，促進致密化，改善微觀結構，阻止其進一步水化.其二是引入納米顆粒在耐火材料的表面形成一層次界面，阻斷了外界環境與鎂鈣質耐火材料的表面直接接觸，以提高抗水化性能。

結語

總之，隨著鋼鐵、水泥、石油和化工等高溫工業的高速發展，納米技術在鎂質耐火材料中的應用有巨大的發展空間，市場急切需要更為潔凈和高性能的鎂質耐火材料來保障高溫行業的發展，這就要求鎂質耐火材料除了高熔點、高密度和低氣孔率外，還需要有良好的抗侵蝕性能、抗熱性能和一定的機械強度，同時要兼顧經濟的適用性。

參考文獻

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