碳结合耐火材料对鳞片石墨的技术要求
发布日期： 2020-07-03 08:36:58 阅读量（704） 作者：鳞片石墨抗热冲击性强、耐侵蚀性好，是碳结合耐火材料使用的主要碳素原料。其对镁碳砖等碳结合耐火材料的耐侵蚀能力、高温强度等都有重要影响。在实际的生产过程中，碳结合耐火材料对鳞片石墨的纯度、灰分、粒度和形状以及加入量都有严格的要求。
大量研究表明，石墨纯度与镁碳砖的高温抗折强度和使用时的熔损速度有直接的关系(见图1)。
图1石墨纯度对镁碳砖性能的影响
镁碳砖的高温抗折强度随石墨纯度的提高而增大。这是由于造成镁碳砖显微结构的不同而产生的结果，用纯度较低的石墨制成的镁碳砖经1000℃碳化处理后粗气孔(直径20μm)的比例较大，气孔率也比高纯石墨制成的制品高。这可能与高纯石墨挠性较高，制砖时易压缩有关。另一点是用纯度较低的石墨制成的镁碳砖结构局部减弱，镁碳砖经过足够高的温度(如1600℃)处理之后，石墨伴生的硅酸盐矿物熔化成玻璃相并与镁砂或碳发生反应，使原矿物产生蚀损，体积缩小，接触面积减少，在石墨周围形成气孔带，从而导致镁碳砖高温强度随石墨纯度的下降而降低。
镁碳砖的熔损速度随石墨纯度的提高而下降，特别是对纯度大于95%的石墨更明显。对其机理的研究表明，在1300℃以上时，镁砂和石墨中杂质(SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3等)都向两者交界处聚集，生成低熔物，使镁砂颗粒容易受到炉渣的侵蚀而流入炉渣中，从而降低了耐侵蚀性。实际使用结果表明，使用95%以上含碳量的石墨制成的镁碳砖抗渣性比普通镁碳砖高出0.5~1倍。
使用含碳量大于95%~96%的高碳鳞片石墨是既提高镁碳砖质量又降低制砖成本的有效技术措施。如果以同档次石墨和镁砂原料制砖的性能为基准，那么改用高档次石墨比提高镁砂档次对砖性能的提高要大得多。在相同工艺条件下，使用高档次石墨和低档次镁砂原料制成的砖性能比使用高档次镁砂和低档次石墨原料的砖要好。但必须注意，当使用纯度较高的石墨时，砖中生成的液相量少，氧气容易渗透到砖内使石墨发生氧化脱碳，为此必须加入抗氧化剂如金属Al、Si以及Al-Mg合金、SiC、BN等。
很显然，石墨的灰分量越大，则石墨的纯度越低。石墨的灰分主要由SiO2-Al2O3-Fe2O3--CaO等组成。一般来说，Al2O3含量高，其它杂质量少则灰分的耐火度高(约1500~1600℃);若Al2O3含量低，而其它杂质成分多，则耐火度低(约1250℃)。表1、 表2为中国产鳞片石墨和世界上其它主要产地石墨的组成。
表1 中国鳞片石墨的组成
表2 世界天然石墨的组成
灰分中SiO2含量较高是十分有害的。首先，大量SiO2的带入必然会改变优质镁砂的CaO/SiO2比值，使镁砂原来高温结合相C2S或C3S(熔点分别为2130℃和1900℃)转变为低熔点的CMS和C3MS2(熔点分别1490℃和1575℃)，从而显著降低砖的高温性能。其次，SiO2还能降低镁砂和碳共存时的稳定性，促进MgO的挥发。这是由于SiO2在加热过程中会与MgO反应，在方镁石表面上形成一薄层镁橄榄石(M2S);温度再升高，M2S中的SiO2很容易与C反应而挥发(SiO2+C→SiO+CO)，SiO2挥发后的方镁石表面被活化，促进了MgO-C氧化还原反应。同时，M2S本身在高温下也很容易和C发生氧化还原反应。其后果是使镁碳砖热失重大，组织结构疏松。
鳞片石墨中SiO2含量高，镁碳砖的蚀损指数显著增大(如图2所示)。一般应限制石墨中SiO2含量小于3%。若灰分中SiO2占50%，则石墨纯度应在95%以上。
图2 SiO2含量与砖的蚀损
如前所述，石墨的粒度与氧化温度之间有直接关系。大鳞片石墨通常具有较高的纯度、耐氧化性好，同时大鳞片石墨能明显改善镁碳砖的热震稳定性(如图3)。大鳞片石墨还可以优化混合料的混炼与成型性能。但是大鳞片石墨的价格是较高的。
图3石墨粒度与热震稳定性
在石墨的形状方面，鳞片越薄越好。薄片石墨首先明显改善镁碳砖的热震稳定性。这是因为以薄片石墨制成的制品加热后的弹性模量比普通石墨制成的镁碳砖低；同时，在石墨加入量相同的情况下，薄片石墨的分散性要好，从而改善了制品的基质，热震时裂纹扩展的障碍物数量增加。其次，薄片石墨制造的镁碳砖抗氧化性也是较高的，因为薄鳞片石墨制造的镁碳砖抗氧化性也是较高的，因为薄片石墨端部发生氧化的有效面积较小(见表3)。在配料体系中，耐火骨料的尺寸越小，使用薄片石墨的效果越好。
在一般碳结合耐火材料中，鳞片石墨的粒度应≥0.105mm，最好≥0.21mm;鳞片厚度应<0.02m，最好是<0.01mm。同时，符合这种要求的组分要占石墨总量的30%以上。
表3 普通石墨与薄片石墨的比表面积
在镁质耐火材料中，加入一定量的石墨有利于提高制品的耐侵蚀性和抗渣渗透能力。按计算，耐火材料中含有3%~4%的碳即可有效地阻止熔渣向砖内渗入。但碳易于被氧化，其实际加入量应更多。
图4为石墨加入量对镁碳砖性能的影响，其中图3-6-10b是在复吹条件下MgO-C砖的蚀损速度与碳含量的关系。一般而言，MgO-C砖中石墨的加入量应在15%~20%之间。加入量高时，MgO-C砖的溶蚀就有增加的趋势，这是因为当石墨含量增加后，脱碳后的砖组织变粗，结果单位体积砖熔渣侵蚀量增大，使MgO向熔渣中流失量加快；同时，随石墨量的增加，带入的灰分量也增加，从而降低砖的抗侵蚀性能。另外，如石墨加入量过多，生产时成型较困难，而且制品使用时易氧化。在碳结合耐火材料中，如果含碳量小于10%，则制品中不能形成连续的碳网，无法有效地发挥碳的优势；从热震稳定性的角度看，石墨加入量少于10%~15%，砖的抗热震性明显降低。
图4 石墨加入量对镁碳砖性能的影响
在实际生产中确定石墨加入量时，应根据碳结合耐火材料的使用条件而定，如冶炼设备的种类、钢水和炉渣中氧分压以及炉渣特性、冶炼温度和出钢温度等；也可以根据所生产的制品是强调耐侵蚀性能或者热震稳定性，还是要求高强度或者抗氧化能力来确定石墨的加入量。
相关阅读
免责声明：
本站部分文章来源于互联网，编辑转载目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点核对其真实性负责。
如涉及作品内容、版权和其他问题请书面发函至本公司，我们将在第一时间处理。
