Исследования по оптимизации структуры и характеристик магнезиально-углеродного кирпича

Для адаптации к меняющимся требованиям сталелитейной промышленности, в частности, в области чистого производства стали, энергосбережения, сокращения выбросов и эффективного использования ресурсов, разработка низкоуглеродистого магнезиально-углеродного кирпича стала важнейшим направлением исследований. Однако снижение содержания углерода часто снижает термостойкость материала и стойкость к шлаковой коррозии, что требует инноваций в проектировании конструкций для поддержания или повышения его характеристик.

I. Применение источников наноуглерода

В традиционном магнезиально-углеродном кирпиче в качестве источника углерода обычно используется пластинчатый графит, который обеспечивает отличную термостойкость и стойкость к шлаковой коррозии. Однако анизотропная структура графита может легко привести к концентрации термических напряжений и образованию структурных трещин. Исследователи обратились к источникам наноуглерода, таким как углеродные нанотрубки (УНТ), расширенный графит (РГ) и сажа (СЧ), чтобы заменить часть графита в составе магнезиально-углеродного кирпича. Эти наноматериалы помогают поддерживать термостойкость и вязкость разрушения в условиях низкого содержания углерода. Тем не менее, их промышленное применение ограничено высокой стоимостью, плохой дисперсией и подверженностью окислению и структурной деградации при повышенных температурах.

II. Выбор заполнителя и модификация поверхности

Плавленый магнезит обычно используется в качестве заполнителя в магнезиально-углеродном кирпиче, но его высокий коэффициент термического расширения может приводить к образованию микротрещин при многократном нагреве, что ослабляет структуру. Исследователи улучшили термическую совместимость, увеличив использование средне- и крупнозернистого магнезита или добавив шпинельные заполнители (MgAl₂O₄). Кроме того, методы модификации поверхности, такие как плазменное напыление, нано-покрытия ZrO₂ и обработка алюминиевым порошком, улучшают сцепление между заполнителем и матрицей. Эти модификации повысили термостойкость кирпича, хотя необходимы дальнейшие исследования для улучшения контроля толщины покрытия, качества сцепления и однородности.

III. Модификация связующих на основе фенольных смол

Фенольная смола, обычно используемая в качестве связующего в магнезиальном углеродном кирпиче, разлагается на стеклоуглерод во время термообработки, что приводит к хрупкости и потере эксплуатационных характеристик. Вводя в качестве катализаторов переходные металлы, такие как никель и железо, исследователи обеспечили образование углеродных нанотрубок и других углеродных наноструктур in situ в процессе пиролиза. Эти компоненты способны поглощать напряжение и предотвращать появление трещин, повышая прочность и термостойкость. Кроме того, такая модификация может способствовать образованию керамических фаз, таких как MgAl₂O₄ и AlN. Однако углеродные наноструктуры часто концентрируются в порах, образуя вторичные пустоты, которые снижают теплопроводность и коррозионную стойкость. Для достижения наилучших результатов необходимы улучшенная дисперсия и совместимость с матрицей.

IV. Высокоэффективные антиоксиданты и формирование керамической фазы in situ

Окисление источников углерода остается основным путем деградации магнезиального углеродного кирпича в условиях высоких температур. Чтобы противостоять этому, исследователи включили металлические антиоксиданты (например, Al, Si, Fe) и карбиды (например, SiC, B₄C), которые реагируют in situ при высоких температурах с образованием керамических фаз. Эти фазы, такие как нитевидные кристаллы β-Si₃N₄, способны герметизировать поры, увеличивать насыпную плотность и значительно повышать стойкость к окислению и эрозии. В некоторых исследованиях для повышения термостойкости низкоуглеродистого магнезиального углеродного кирпича также использовались усовершенствованные добавки, такие как Ti₃AlC₂ (материал с MAX-фазой) и нанопорошки ZrN.

V. Направления развития и проблемы

Несмотря на значительный прогресс в улучшении низкоуглеродистого магнезиального углеродного кирпича за счет добавления наноуглерода, разработки заполнителей, модификации смол и армирования керамикой in situ, ряд проблем сохраняется. К ним относятся высокая стоимость сырья, сложные производственные процессы и трудности равномерного распределения функциональных добавок в матрице. Дальнейшие исследования должны быть направлены на оптимизацию структуры керамической сетки, совершенствование механизмов межфазного сцепления и разработку экономически эффективных и масштабируемых методов подготовки добавок. Эти усилия будут способствовать более широкому применению высокопроизводительного низкоуглеродистого магнезиально-углеродистого кирпича в сталелитейной промышленности и других высокотемпературных отраслях.