碳系耐火材料是70年代后期发展起来的新型耐火材料，它利用石墨耐火度高、不易浸润的特点，大大提高了耐火材料的高温性能和抗侵蚀能力，它具有优良的热震稳定性，耐渣蚀性，耐剥落性和抗高温蠕变性。铝镁碳砖是以Al2O3为基体的碳系耐火材料，它以优质的高铝矾土熟料为主成分，加入适量的高纯度镁砂、鳞片状石墨及结合剂，在200~300℃温度下热处理而制得。

镁碳砖是以碳素材料和镁砂为原料，用碳质结合剂制造的不烧或轻烧碱性砖。最早在日本研究成功后，首先用在高、超高功率电炉的热点部位及底吹转炉的供气嘴，以后，日本将镁碳砖用到转炉的各部位。同焦油浸渍烧成的镁白云石砖相比，转炉寿命约提高1.3~1.6倍。镁碳砖在保持了碱性耐材优点的同时，由于引入碳质结合剂，使镁碳砖具有耐火度高，抗渣性强，热膨胀率小，热传导率髙等优点。大大改善了碱性耐火材料的性能，彻底改变碱性耐火材料中耐剥落性能差，容易吸收炉渣等缺点。

以下是铝镁碳砖及镁碳砖主要原料对制品的影响：

特级矾土熟料

我国高铝矾土原料的主要矿物组成是水铝石和高岭石。矾土熟料是经高温煅烧后的产物，特级矾土熟料的Al2O3含量在88.2%以上，最高可达91.3%。虽然Al2O3的抗侵蚀性较强，但单纯的Al2O3膨胀系数大，不耐剥落，当以单纯的Al2O3作基质时，基质部分容易被熔渣渗透熔损，使骨料暴露，导致结构性剥落。

高纯镁砂

菱镁矿、水镁石、海水氧化镁等原料在1600~1900℃下充分烧结得到镁砂，镁砂分为烧结镁砂和海水镁砂，烧结镁砂是由天然矿石烧成的，海水镁砂是由海水氧化镁烧成的。镁砂的主要成分是氧化镁，还含有少量的SiO2、CaO、Fe2O3、B2O3等，颜色由黄色到褐色，主晶相为方镁石，晶粒尺寸为0.02~0.05mm，密度3.50~3.65g/cm3。具有良好的抗碱性熔渣侵蚀的性能。

高纯镁砂的主要指标是MgO含量、CaO/SiO2比值，显微结构及颗粒体积密度，MgO的含量高的镁砂主晶相以方镁石为主，杂质胶结物少，制得的耐火材料具有极高的耐熔蚀性能;CaO/SiO2比值决定了镁砂中基质的相组成，即直接影响方镁石的结合，也影响耐火材料的高温性能，一般C/S为3-8的镁砂耐高温性能较好，超过这一范围，会带来副作用;显微结构是表征方镁石的晶粒大小及结合状态的重要手段，通常要求晶粒在80~150μm，体枳密度是表征镁砂烧结程度和致密性的一个重要指标，体密度较高的镁砂可抵抗熔渣的侵入，提高耐火制品的耐蚀能力。

电熔镁砂

将菱镁矿或烧结镁砂在电弧炉中，经过2500℃的高温熔融，冷却后经破碎获得的电熔镁砂又称之为电熔氧化镁，依原料的纯度来确定电熔氧化镁的纯度，其主晶相为方镁石从熔体中结晶出来的方镁石晶体粗大，结构致密，晶体直接接触的程度髙，在大气中的抗水性和抗渣性都很好，高温体积和化学稳定性较好，能在2300℃的氧化气氛中保持稳定，镁碳砖的各项性能指标与镁砂的性能指标直接相关，为了提高镁碳砖的性能，就需要提高MgO含量，使镁砂中的方镁石直接结合程度增强，控制C/S可以减少硅酸盐数量，降低方镁石被硅酸盐相分割程度。因此镁含量和钙硅比是衡量镁砂的重要指标，如表1所示。

从表1中可以看出合适的钙硅比是小于1或大于，高钙硅比有利于提高镁在高温下与石墨共存的稳定性。方镁石晶粒的大小和镁砂的体积密度都对镁碳砖的耐侵蚀性能影响很大，松生昭等人研究了将不同晶粒直径方镁石的镁砂制成镁碳砖，测定其高温还原气氛下的失重结果，结果表明不同晶粒直径方镁石的镁砂制成镁碳砖，方镁石晶粒越大，失重越小。由此可见在生产高性能的镁碳砖时，应选择CaO/SiO<1或CaO/SiO>2，体积密度高、晶形发育好的电熔镁砂作为原料。

石墨

石墨具有优良的热导性和耐火性能，熔点高达3500℃，石墨的热膨胀率低(1000℃时为1.4×10-6)，导热系数高，耐急冷急热性好，是强度随温度升高而增大的少数材料之一。石墨对炉渣的浸润角也相当大，与Al2O3、SiC、SiO2无共熔关系，能够阻止渣向制品中渗透，由于碳可以将熔渣中氧化铁还原成为金属铁，使得熔渣粘度提高，减少了熔渣成分向砖内的迁移，达到减少侵蚀的效果。

石墨在含碳制品中的主要作用就是能够有效地防止炉渣侵入到砖组织内，通过增大砖工作面与炉渣之间的润湿角、并和砖中的MgO发生反应，还原出金属镁的同时产生CO气体。该气体的压力可以阻止炉渣滲透，而镁扩散挥发并在砖的工作面上氧化，形成致密的抗渗透MgO层，使砖内呈较强的还原状态，既可以还原渣中的铁氧化物，又可以提高炉渣粘度，防止炉渣渗入到砖内。抗侵蚀、抗渣蚀能力越强的石墨其碳含量越高，鳞片也越大。石墨中的SiO2含量与镁碳砖的侵蚀指数有以下关系。如图1所示：

由图1可知，随着SiO2含量的增加侵蚀指数不断增加，抗侵蚀能力不断地下降，当石墨中SiO2含量大于3%时，镁碳砖的侵蚀指数急剧升高，其抗抗侵蚀能力急剧下降。随着镁碳砖石墨的鳞片粒度的增加。其抗氧化能力增强，当鳞片石墨的粒度超过0.125mm时，抗氧化性增长缓慢，适合的石墨粒度为0.125mm。因石墨容易氧化生成CO，氧化后的石墨就失去了这些优良的性能，使得耐火材料的抗侵蚀性能降低，这是石墨致命的弱点，也是含碳材料损坏的重要原因。

结合剂

结合剂在制品中的含量不高却是含碳制品生产的技术关键之一。结合剂将直接影响坯料的混练、成型性能，以及制品的显微结构.混练成型时需要结合剂对耐火骨料和石墨有良好的润湿性，并具有合适的粘度以提高坯料的混练的质量和坯料的体积密度。

结合剂的主要特点为：

(1)较好的润湿性：对镁砂及石墨都具有较好的润湿性;

(2)不含或少含对人体有害的成分;

(3)混合后的泥料的性能随时间的变化不大，对骨料的化学反应要小不大;

(4)结合剂在制品的升温过程中，应具有较高的残碳率，碳化后的聚合体要有良好的高温强度。

只有具有良好的润湿性才能将使结合剂比较均匀的分布在颗粒和石墨的表面，尽可能的形成连续的网络结构，碳化后才能形成连续的碳骨架，提高制品的强度和抗侵蚀性能.结合剂的种类、碳化条件直接对结合碳的显微结构和性能产生影响，结合剂的碳化过程不同使生成的结合碳的结构差别也很大。为使成型后的砖坯具有足够的强度，通常在铝镁碳砖砖及镁碳砖的生产过程中采用热固性酚醛树脂做结合剂，所用树脂应具有合适的粘度以及较高的碳含量及较高的残碳率。富含苯并芘的煤焦油沥青的替代品酚醛树脂是由苯酚和甲醛反应而成，依据反应条件，反应产物为酚醛淸漆树脂或甲阶酚醛树脂。因为酚醛树脂加热时无热塑性，可以保证最终产品的尺寸精确，与石墨相比，树脂的碳化产物的晶格呈带状结构，堆积形成层状结构(聚合碳或玻璃碳)。酚醛树脂在高温分解过程是首先分解出水(甲阶酚醛树脂中的水)、酚、甲酚及少量的二甲苯酚和甲醛，最后形成聚合碳。

合成树脂在常温下便能和耐火材料颗粒很好地混合，不需要加热，残炭率与沥青相似，为50%~70%.液体甲阶酚醛树脂的主要缺陷是：有限稳定性，树脂炭化产物的均质性导致其易氧化，降低了其抗侵蚀性，对热机械应力比较敏感。在混合物中添加能快速氧化的金属添加剂，如Al、Mg、Si等就是为了弥补这些缺陷。

添加剂

正是因为石墨的存在才使碳复合耐火材料具有良好的抗渣性及热震稳定性，碳复合耐火材料的损坏主要是石墨的氧化问题。一旦石墨被氧化，其优势将丧失殆尽，为了提高碳复合耐火材料的抗氧化性，常加入少量的添加剂，如Si、Al、Mg、Zr、SiC、BC等。

下面将分别从热力学和动力学两方面来分析添加剂的作用原理：

从热力学的观点出发分析添加剂的作用原理：即在工作温度下，添加剂或者添加剂和碳反应的生成物与氧的亲和力比碳与氧的亲和力大，优先于碳被氧化从而起到保护碳的作用。

从动力学的角度来考虑添加剂与O2、CO或者碳反应生成的化合物改变碳复合耐火材料的显微结构，即如增加致密度，堵塞气孔，阻碍氧及反应产物的扩散等。

含碳耐火材料中添加的非氧化物通常有以下作用：

(1)通过将一氧化碳还原成碳，达到抑制碳的消耗速度的目的;

(2)生成碳化物或氧化物，提高耐火材料的致密化程度;

(3)进一步促进石墨结晶;

(4)降低开口气孔率;

(5)形成保护层;

(6)提高高温强度;