为了满足先进炼钢技术和环境保护的要求，有必要开发性能与传统镁碳耐火材料相近的低碳镁碳耐火材料。由于纳米碳高比表面积的特点，包括CB、碳纳米纤维（CNF）、碳纳米管和氧化石墨纳米片（GON）等许多类型的纳米碳被广泛用作低碳镁碳耐火材料的碳源。西安建筑科技大学以Al为还原金属、CB为碳源、B₂O₃为硼源，通过燃烧合成法制备B₄C/Al₂O₃/C复合粉体。研究了燃烧合成产物的相组成、形貌和抗氧化性。此外，对比研究了燃烧合成粉末对MgO-C耐火材料的物理机械性能、抗氧化性和抗渣性等的影响。

首先试验以B₂O₃（纯度≥98.8％，粒径≤74 μm），CB（纯度≥99.8％，粒径为30～50 nm），Al（纯度≥99.5％，粒径≤45 μm）为原料制备B₄C/Al₂O₃/C复合粉。不同样品的原料组成列于表1中。将原料在坩埚中混合40 min，以获得均匀的混合物，然后将充分混合的试剂在2.0 MPa下单轴加压以形成直径为20 mm的坯体，然后将Ti-C粉末放置其上部。最后，在自制不锈钢反应器中，在1.0 MPa的Ar气氛中用钨丝点燃试样。使用XRD对燃烧合成法制备的复合粉的物相进行检测，硼和碳的分子振动使用Raman光谱进行分析，使用SEM/EDS对微结构进行了分析。

表1  试样原料配比（w）/%

采用B₄C（纯度≥95.0％，粒径≤45 μm），α-Al₂O₃（纯度≥99.0％，粒径≤74 μm）和CB用以制备机械混合的B₄C/Al₂O₃/C复合粉（标记为MM）。机械混合粉和燃烧合成粉的抗氧化性通过测量质量变化率并观察样品加热后的形貌变化来表征。具体是将样品在空气中加热至1000 ℃，在此温度下保持10 min，然后循环多次。

低碳MgO-C耐火材料的制备。为了研究B₄C/Al₂O₃/C复合粉末的性能，使用燃烧合成粉末（CS-4）作为添加剂来代替低碳MgO-C耐火材料中1％（w）的石墨。同时，MM试样的配比与CS-4的理论产物含量比例相同。电熔氧化镁（1～3、0.150～1和＜0.150 mm，纯度≥96%），天然鳞片石墨（纯度≥94％，尺寸≤150 μm）和复合粉被用做骨料和基质，铝粉和硅粉（纯度≥99.8%，尺寸≤45 μm）作为抗氧化剂，液态酚醛树脂用作粘合剂。表2给出了本文中低碳MgO-C耐火材料的配方。所有耐火材料中的树脂含量为外加4％（w）。每种耐火材料制备了三个试样以测试其性能，并有两个试样分别来测试抗氧化性和抗渣性。在240 ℃下干燥24 h后，将用于测试物理和机械性能的样品在1400 ℃埋碳烧结3 h。

表2  低碳MgO-C耐火材料配方（w）/%

根据国家标准测量烧结试样的体积密度、显气孔率、耐压强度和抗折强度。将圆柱状试样在1 400 ℃的空气中保温2 h，以进行抗氧化性测试。将烧后试样水平切成两段，并使用游标卡尺沿直径方向测量脱碳层的厚度。使用具有φ20 mm×25 mm的钻孔的圆柱形样品，通过静态坩埚方法在空气中于1600 ℃下保温3 h测抗渣性。

结果表明：（1）以B₂O₃、Al粉和CB为原料，在氩气氛下通过燃烧合成法合成了B₄C/Al₂O₃/C复合粉，在保证燃烧反应持续进行的条件下，CB的最大过量比例为80％（w）。（2）复合粉体中的B₄C颗粒尺寸较小且结晶度较高，并且均匀地镶嵌在Al₂O₃基体中，同时残留的纳米CB均匀地分散在合成粉体中。该微观结构有利于提高抗氧化性和抗热震性。（3）添加了燃烧合成的B₄C/Al₂O₃/C复合粉的低碳MgO-C耐火材料具有最佳的抗氧化性和抗渣性。M3的脱碳层的厚度分别比M2和M1的厚度小10.2％和22.4％，而M3的侵蚀深度分别比M2和M1的深度小12.0％和27.9％。这种结果的主要原因是，CB在燃烧合成的 B₄C/Al₂O₃/C复合粉中分布更均匀，并且B₄C可以更好地保护CB与氧的接触从而减少CB的氧化。（4）添加燃烧合成的B₄C/Al₂O₃/C复合粉的低碳MgO-C耐火材料具有最佳的抗热震性。M3的残余强度保持率比M2和M1分别大15.8％和17.2％。这主要归因于燃烧合成的B₄C/Al₂O₃/C复合粉的团聚结构和 CB的均匀分布，这会导致裂纹的多次偏转消耗更多的应变能。（摘编自《第十七届全国耐火材料青年学术报告会论文集》2020，作者种小川等）