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MgO-C耐火材料因其良好的抗渣侵蚀性和抗热震性,自上世纪七十年代以来得到了迅速发展,并被广泛用作钢铁冶金工业中转炉、电炉、精炼炉和钢包等设备的工作衬。该体系耐火材料在使用过程中存在石墨易氧化及脱碳层结构疏松、抗冲刷能力差这两个主要问题。为此,常需要在MgO-C耐火材料中加入抗氧化剂,如Al、Si、Mg等,来抑制碳的氧化。抗氧化剂的引入虽然能有效提高其抗氧化性能,但对脱碳层高温力学性能的提升非常有限。脱碳层脱落后,将会造成耐火材料的使用性能加速恶化,影响其使用寿命。针对这一问题,本论文从脱碳层微观结构优化和烧结强化的角度出发,提出了利用Fe粉对MgO-C耐火材料进行增强增韧的新构想。通过热力学分析和高温实验相结合,研究了 Fe粉添加对其微观结构、高温氧化行为及高温力学性能的影响规律及其作用机理,并取得了以下结论:(1)Fe粉添加对MgO-C耐火材料微观结构具有分区调控功能。在高温条件下(1300℃～1600℃),由于铁与氧的亲和力弱于碳,Fe颗粒在原始层中能稳定存在,充当粘结相,实现了镁砂结合方式由简单的的“碳结合”向“碳+金属复合结合”方式转变。脱碳层中,Fe粉被氧化并最终转变为Mg(Fe,Al)2O4。该物相将孤立的基质颗粒紧密连接在一起,促使脱碳层由孤立、分散的简单结构向复杂的网状结构转变。此外,大量铁氧化物在镁砂基质中的固溶有效提高了促进了基质的发育,从而进一步提高了颗粒间的直接结合程度。(2)Fe粉添加可有效解决碳氧化后脱碳层结构和性能严重恶化的问题。1600℃×3h氧化处理后,传统MgO-C耐火材料脱碳层呈现疏松多孔结构,颗粒结合程度低,整体致密度和常温抗压强度分别降低了 15.6%和35%。引入12wt%Fe后,烧结活性的改善及Mg(Fe,Al)2O4耐高温结合相的形成能有效促进脱碳层结构致密化并提高其结合强度,1600℃×3h氧化处理后,致密度和抗压强度分别只降低了 11.2%和7.1%。(3)Fe粉添加能显著提高MgO-C耐火材料的抗氧化性能。1600℃空气气氛下,当Fe粉添加量为12wt%时,MgO-C耐火材料的碳氧化寿命由1044min提高到了 4141min,增长了近3倍。气孔率显著降低、内部结构曲折度增加及MgO致密层厚度增加所导致的气相扩散阻力增大是抗氧化性提高的根本原因。(4)Fe的引入可以保持MgO-C耐火材料较高的荷重软化温度。由于电熔镁砂及石墨等主要原料熔点高、杂质含量低,其荷重软化温度高达1679℃。引入Fe粉后,固态金属Fe在原始层的稳定存在及脱碳层高温结合强度的提高导致该特征温度略有增加,为1690℃。此外,Fe粉添加还能有效降低MgO-C耐火材料的高温热膨胀系数,有利于保持服役过程中的体积稳定性。(5)添加Fe粉可以从根本上解决MgO-C耐火材料在氧化性气氛下抗高温蠕变性差这一问题。1500℃时,由于脱碳层气孔率高、基质结合强度低,传统MgO-C耐火材料蠕变速率随保温时间的延长而不断加快,恒温14h后形变速率达到-0.34%/min,蠕变率高达-8.1%。引入Fe粉后,脱碳层致密度和基质结合强度的提高导致蠕变阻力增大,稳态阶段蠕变速率仅为-2.2×10-4%/min,在热重负荷作用下可以长时间保持结构和性能稳定,恒温50h后蠕变率仅为-1.1%,体现了优异的抗高温蠕变性。