[发明专利]含纳米碳粉的酚醛树脂、纳米碳改性的低碳镁碳砖及制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种镁质耐火材料及其制备方法，特别是涉及一种含纳米碳粉制成的酚醛树脂和纳米碳改性的低碳镁碳砖及制备方法。

二、背景技术

镁质耐火材料的应用历史很长，但镁砖的热膨胀系数大，使用过程中容易剥落。镁碳砖是在镁砖的基础上添加石墨而发展起来的。由于石墨的热膨胀系数较小且不易被熔渣润湿，因此可以提高镁碳砖的抗剥落性能，并且能够减缓熔渣向砖内部渗透，提高其抗侵蚀性。目前，镁碳砖已被广泛地应用于转炉、电炉、钢包以及炉外精练等方面。由于MgO-C砖含碳量在10-20％左右，碳的存在会使钢水增碳；其次，碳含量较高会影响钢水氧含量及其他夹杂物的数量。随着钢铁工业的发展，耐火材料的使用条件日渐苛刻。洁净钢工艺要求严格控制耐火材料中的碳含量；二次精炼工艺要求钢水的温度不能下降太多，即要求炉衬具有低的热导率。因此，开发低碳镁碳砖非常必要。所谓低碳镁碳砖，一般是指总含碳量不超过8％、由镁砂与石墨通过有机结合剂结合而成的一类材料。

Saito Y等比较了石墨含量为20％和8％的镁碳砖的热导率，发现后者的热导率为13W·(m·K)^-1，约为前者的一半。可见，降低镁碳砖的碳含量可明显降低材料的热导率。此外，在溅渣护炉过程中，高碳镁碳砖由于石墨与熔渣润湿性差而不容易与渣粘接在一起，若采用低碳镁碳砖，就可以有效提高熔渣的溅射附着率。不过，如前所述，镁碳质耐火材料优良的性能在于碳，降低碳含量，势必造成材料的某些性能，特别是高温性能下降，其中受影响最明显的是材料的抗热剥落性能。

为改善MgO-C砖的抗剥落性，黄卫国等通过在基质中加入适量细炭粉，对改善镁碳砖的抗剥落性进行了试验研究。研究发现，随着低碳镁碳砖基质中细炭粉含量的增加，不同条件下热处理后试样的弹性模量均成下降趋势，尤其是当细炭粉含量超过1％以后下降更快；随着C含量的增加，热处理后试样的蠕变量减小。热处理后低碳镁碳砖弹性模量的减小是由于细炭粉的加入抑制了砖基质中MgO的过分烧结，而荷重线变化的测量结果表明，随着细炭粉含量的增加，镁碳砖的结构变化很小。研究结果认为，细炭粉在低碳镁碳砖基质的分布中，抑制了砖的过烧，降低砖的弹性模量，因此有望使低碳镁碳砖的抗剥落性能得到改善。

李林等研究发现镁碳砖的低碳化，可以降低材料的热导率，提高材料的抗氧化性能，并有利于其与渣结合形成致密的工作层，起到阻止熔渣侵蚀原砖层的作用。材料的热导率是由各组分的热导率及其相互结合所形成的结构所决定的。根据复合材料的热传导理论，镁炭砖可单纯看作由MgO、石墨和气孔三相组成的复合体，其热导率λm为：

λm＝λc×[1+2Vd(1-λcλd)×(2λcλd+1)]/[1-Vd(1-λcλd)×(λcλd+1)]

(1.1)式

(1.1)式中：λ为热导率，V为体积分数；c表示连续相，d表示分散相。

在碳的质量分数超过5％的镁炭砖中，石墨包覆MgO颗粒，形成连续相，而气孔可能是分散相，也可能是连续相。据公式(1.1)可知，若镁炭砖中的气孔形成连续相，则可大幅度降低材料的热导率。Hoshiyama等对镁碳砖的热导率进行研究后发现：在含碳量一定的情况下，材料的热导率与其显气孔率没有明确的关系，而与其平均气孔孔径有很大的相关性，并且微细气孔量越大，其热导率越低；孔径在0.1μm以上时，热导率与气孔量没有明显关系；而气孔孔径在0.1μm以下时，热导率与气孔量有很大的相关性。同时，他们对某一气孔率下气孔分布状态不同的镁碳砖的热导率依照公式(1.1)进行计算后得出：当气孔完全呈分散分布时，镁碳砖的热导率为35 W·(m·K)^-1，而当气孔完全以连续形式分布时，其热导率为4.0W·(m·K)^-1，两者相差近10倍。可见，气孔的分布状态对镁碳砖导热性的影响非常大。镁炭砖的热导率与砖中气孔孔径、微细气孔含量以及气孔分布状况等有关。另外，石墨本身的热导率比较大，在同样致密度的材料中，减少石墨含量可以明显降低材料的热导率。由以上可知，材料的热导率与其材质及其结合状态相关。从材质上考虑，减小石墨用量，即低碳  化，可明显降低材料的热导率；从结合状态上考虑，在制备耐火材料时控制气孔的孔径及其分布状态，即尽量使气孔孔径细化并且呈连续分布，也可有效降低材料的热导率。