纳米技术在镁质耐火材料中应用的研究进展

高斌斌 李福春

摘  要：近年来，我国的化工工程建设的发展迅速，镁质耐火材料的主要原料是菱镁矿、白云石和水镁石，其原料矿物在我国自然界中资源储备丰富，主要分布于辽宁、山东、河北等沿海地区，为我国镁质耐火材料的发展提供了有利的资源基础，这也使中国成为世界上镁质耐火材料产量和出口量最大的国家。镁质耐火材料具有高熔点、优异的高温体积稳定性、良好的力学性能等众多优点，已被广泛用于钢铁、冶金、建材、陶瓷等高温工业领域。

关键词：纳米技术;镁质耐火材料;应用研究进展

引言

根据国际标准，耐火材料是指在高温环境下其化学与物理性质稳定并能正常使用的非金属（并不排除含有一定比例的金属）材料与产品。镁质耐火材料包括镁砖、镁铝砖、镁铬砖、镁橄榄石砖、镁硅砖、镁钙砖、镁白云石砖和镁碳砖，主要以MgO为主成分或以MgO与CaO为主成分，通常MgO的质量分数在85%及以上。

1镁质耐火材料发展

1.1镁钙砖发展

近年来，我国不锈钢以及洁净钢发展速度较快，促使镁质耐火材料以及其相关的使用特点、环保性能、价格等均受到重视，而镁钙砖的快速发展促使其大量的应用在不锈钢以及洁净钢等高级钢種生产的精炼设备中。镁钙砖中含有的氧化钙有着很好的蠕变特点，能够提高镁钙质耐火材料的高温韧性、耐冲击性以及耐剥落性，并且其抗高碱度渣的性能要由于镁铬砖，炼钢行业可以在高碱度环境下生产，从而有效提高炉衬的使用寿命;同时，镁钙砖的特点还可以改善冶炼钢的脱硫效果。特别是含有氧化锆的镁钙砖，其各项性能都可以与镁铬砖相比，甚至优于镁铬砖的性能。镁钙砖还具有净化钢水的功能，砖中存在的游离氧化钙可有效吸收钢水中含有的氧化铝以及二氧化硅等杂质。我国已经研发出新型的镁钙砖，用其替代镁铬砖，将其使用在水泥回转窑的烧成带上，从而取得非常好的烧成效果。镁钙砖本身具有容易水化的特点，进而在生产和使用方面受到的限制较大，虽然在镁钙砖的生产中通过磷酸浸渍法、碳化法对其进行有效处理，或是在镁钙砖中加入氧化铝、氧化锆等材料，利用高温烧成以及二次煅烧等方式，以及没有很好的解决镁钙砖的水化特点。镁钙砖经过成型处理、热处理以及表面处理，不尽其抗氧化性以及耐蚀性有所提高，并且能够在衬砖的表面皿形成一层较好的挂渣层，从而保护好衬砖，主要是应用在精炼钢包的包壁等位置上。

1.2冶金镁砂发展

冶金镁砂以高纯度材料为主，不仅选择高质量的天然材料，同时也重视研发和使用人工合成的高质量冶金镁砂材料，增加其体积密度，增加其晶体的粒径，降低材料的气孔率，并减少材料中的有害杂质。基于此，镁质耐火材料行业需要加快镁铬砂、镁橄榄石砂、镁白云石砂、镁铝尖晶石砂等优质镁砂的合成发展。为提高烧结合成镁砂的高温性能，可以通过以下两条途径合成镁砂：第一，通过选择合适的镁矿或是电熔方式减少材料中的杂质，例如：使用浮选、两步煅烧的工艺来生产高纯度的镁白云石砂;第二，可以通过在材料中加入适量的有益氧化物优化烧结合成镁砂的高温性能;或是通过选矿、电熔减少杂质与加入有益氧化物两种方式结合的办法来优化其公安文性能，从而研发出更高纯度的烧结合成镁砂以及电熔合成镁砂。

1.3镁碳砖发展

镁碳砖是以碳和氧化镁为主要材料的一种氧化物和非氧化物合成的复合型耐火材料，其特点因含有的石墨、镁砂、抗氧化剂、结合剂以及生产技术等存在差异而有很大的班花，主要应用在电炉炉墙、氧气转炉炉衬以及钢包渣线等领域中，具有提高其使用寿命的良好效果。近年来，由于我国不锈钢和低碳钢的发展，镁碳砖会增加钢中的碳含量，影响钢的质量，今后镁碳砖的发展重点则是较低含碳量和高抗氧化性能，将其应用在精炼包和钢包领域中。为使镁碳砖符合行业发展需求，提高其生产质量，需要使用优质的镁碳砖原材料，并采用先进的生产技术，从而确保了生产的效率。镁铝碳砖不烧砖具有含碳材料和铝镁材料的综合特点，具有较好的抗热震性以及抗渣性能，从而很好的克服传统材料的钢水渗透和渣渗透所导致的结构剥落问题，进而有效提高其使用寿命。因此，镁质耐火材料中镁碳砖的生产和发展前景应以此为标准，提高其质量和性能。

2纳米技术在镁钙质耐火材料中的应用

镁钙质耐火材料是一种以MgO为主要成分并含有部分CaO的碱性耐火材料，具有耐火度高、抗渣性强以及良好的净化钢水等性能。镁钙质耐火材料因其优良的特性而越来越受到青睐，尤其广泛应用于冶炼洁净钢、不锈钢、特种钢等高性能钢的精炼设备的关键区域，以保证精炼设备能够实现长期稳定运转和提高其炉衬的使用寿命。然而，在镁钙质耐火材料中，游离CaO由于发生水化反应而体积膨胀，导致其在工作面产生龟裂以及局部的剥落，最终促使材料不能进一步使用。抗水化性差是制约镁钙质耐火材料安全运行和效能发挥的因素。因此，该领域技术人员尝试利用纳米技术改善抗水化性能来实现镁钙质耐火材料寿命，进而使性能大幅度提升.在镁钙质耐火材料中，纳米粉体作为添加剂引入，来提高其抗水化性能。该作用机理主要有两种途径，其一是引入纳米颗粒与游离CaO反应形成低熔点相，促进烧结致密化，使晶粒长大，减少粒界的接触概率，消耗基体中的游离CaO，从而起到防水化作用。以菱镁矿、白云石为研究对象，以纳米Fe2O3为添加剂制备镁钙质耐火材料，并经XRD和SEM检测发现，CF（CaO·Fe2O3）和C2F（2CaO·Fe2O3）液相存在于MgO和CaO颗粒间，增强了烧结性能和抗水化性能，其原因是形成的CF和C2F液相消耗了基体中的游离CaO，促进致密化，改善微观结构，阻止其进一步水化.其二是引入纳米颗粒在耐火材料的表面形成一层次界面，阻断了外界环境与镁钙质耐火材料的表面直接接触，以提高抗水化性能。

结语

总之，随着钢铁、水泥、石油和化工等高温工业的高速发展，纳米技术在镁质耐火材料中的应用有巨大的发展空间，市场急切需要更为洁净和高性能的镁质耐火材料来保障高温行业的发展，这就要求镁质耐火材料除了高熔点、高密度和低气孔率外，还需要有良好的抗侵蚀性能、抗热性能和一定的机械强度，同时要兼顾经济的适用性。

参考文献

[1] 赵海鑫.辽宁菱镁矿资源现状及发展意见[J].耐火材料，2014.43（4）：291-293.

[2] 李志坚.对辽宁省镁质耐火原料的思考[J].耐火材料，2015.45（5）：382-385.