转炉在炼钢中起到脱碳、脱磷、脱硫、合金化、升温、去除夹杂物等功能，冶炼时转炉无需外加热量，依靠钢水中氧化反应放热[1]。在转炉中，炉衬、出钢口、透气砖等都是由耐火材料组成。镁碳砖自上世纪七十年代开发以来，因其综合性能明显好于白云石碳砖，从而得到广泛应用。镁碳砖由镁砂骨料、石墨、抗氧化剂、结合剂等组成，具有高耐蚀、抗剥落、抗熔渣、抗热震等优点[2,3,4]。通过改变镁砂骨料、石墨的粒度组成，或改变抗氧化剂的添加量，可以显著改变镁碳砖的强度、抗侵蚀性、抗氧化性等[5,6]。实际生产中根据转炉各部位熔损特点，对镁碳砖的成分进行微调，可以提高转炉寿命，降低综合成本。
随着我国“双碳”政策的实施，耐火材料的碳消耗不容忽视[7]。在新的转炉冶炼技术下，转炉各部位使用的耐火材料应用也面临新的挑战。传统镁碳质耐火材料含碳量高，导热系数较高，会增加能耗和耐火材料侵蚀[8]。特别是在冶炼低碳钢和超低碳钢时，会对钢水增碳，降低钢产品的质量[9]。因此，镁碳质耐火材料低碳化及相关技术的创新将会成为新的发展方向。
在转炉冶炼周期中，转炉炉衬主要发生以下两种熔损。一是镁砂中的杂质成分SiO2和CaO,与镁砂反应生成低熔点物质。二是转炉渣中的FeO与耐火材料中的MgO反应形成MgO-FeO固溶体，降低了熔点。上述两种熔损现象同时发生，导致镁碳砖熔损。镁砂的溶解对镁碳砖的熔损有很大影响，因此将高纯度原料和晶界少的镁砂原料应用于熔损严重区域的镁碳砖，并适当增加炉渣中MgO的含量，可以改善镁碳砖的熔损状况。
在冶炼时镁碳砖的氧化是不可避免的，镁碳砖中的碳(石墨和碳质结合剂)被氧化性气体和渣中氧化物氧化。镁碳砖氧化分为碳与氧气的直接氧化和碳与氧化物的间接氧化，反应式分别为(1)和(2)、(3)。转炉出钢口、炉口、炉帽和渣线的氧化较为明显，其中出钢口和渣线主要受到炉渣的氧化，炉口和炉帽主要受到气体的氧化。氧化后的镁碳砖结构疏松强度降低，在气流和钢水的冲刷下逐渐被侵蚀。
剥落分为机械剥落和热震剥落。加废钢时，前大面的镁碳砖会同时受到冷源废钢热震冲击和机械冲击，从而使镁碳砖部分剥落。转炉因供气流量高，供气元件(透气砖)周围的耐火材料温度变化激烈，内部液体的搅拌力很强。透气砖的损毁机理主要为热震剥落。因此，前大面的镁碳砖应减少碳含量和提高强度，以抵抗机械剥落。可在溅渣护炉的措施下使透气砖端部生成“炉渣-金属透气蘑菇头”,减轻气泡反击和水锤冲刷侵蚀，提高透气砖寿命。
转炉炉底、供气元件和出钢口处，磨损损毁是主要的损毁原因。例如转炉出钢时，出钢口受到间歇性的热震冲击并要承受钢水和部分钢渣的冲刷，导致耐火骨料的磨损。此部位的特点是钢渣与钢水共存流动，难以形成稳定的渣附着层，石墨和镁砂因钢水流动冲刷而脱落。基于上述问题，可通过调整原料的颗粒级配提高镁碳砖的体积密度和添加金属纤维来提高高温抗蠕变性。表1总结了转炉各区域镁碳砖的熔损原因和性能要求。
一般来说顶底复吹转炉的永久层使用镁砖，工作层使用镁碳砖。如图1(a)永久层为镁砖，工作层是镁碳砖，砌砖时都需要错缝砌筑。如图1(b),金属托板与永久层砖间加入捣打料，镁砖间若有松动可加入铁片加固。且镁碳砖和镁砖之间的三角缝需要<3mm, 缝隙间用填缝料塞满。出钢口周围的砌筑方式和座砖如图1(c),采用干砌，缝隙处用加工砖塞填。另外，拐角处水平金属托板与永久层砖间用捣打料人工填实。
转炉各部位工作条件的差异和操作因素的影响，导致不同炉衬部位的损伤机理、损伤频率和损伤量都不同，因此采用综合砌炉法对转炉炉衬进行分类砌筑。综合砌筑炉法指的是根据转炉各部位耐火材料所受到的损毁状况的差异，砌筑性能不同的镁碳砖的方法。各部位砌筑的镁碳砖如表2所示，根据不同部位的熔损特点，砌筑合适碳含量的镁碳砖，使整体耐火材料在炉内的损伤平衡。
转炉挡渣系统所用的耐火材料元件包括出钢口、碗砖、内水口、滑板和外水口，除滑板是铝碳锆质，其余均为镁碳质。转炉滑板挡渣系统如图2,出钢口处使用高铝可塑料堵塞(图2a)后安装内水口(图2b),最后再安装滑板挡渣机(图2c)。碗砖、内水口、上滑板、下滑板和出钢口的各连接处需要涂抹铬刚玉火泥，使耐火元件交界面连接紧密，防止钢水流入界面的缝隙中，以及减小钢水的冲刷面积。
在挡渣和出钢的过程中，出钢口和滑板要承受高温钢水和钢渣的冲刷、磨损、侵蚀、氧化。出钢口不宜使用碳含量较高的镁碳砖，滑板是使用抗侵蚀和抗热震性优良的铝碳锆材质，并且上滑板镶嵌锆环，下滑板镶嵌锆板。
转炉修补料分为大面热修补料、耳轴和圆角喷补料、出钢口灌浆料，均为镁碳质不定型耐火材料。大面热修补料以镁砂为原料，沥青或酚醛树脂为结合剂，倒入转炉中。通过摇炉操作，利用转炉的余热使铺展到大面的修补料充分烧结，烧结时间一般不小于10min。喷补料通过喷涂的方式修补耳轴和圆角处炉衬砖，修补后的使用寿命在6～10炉之间。更换好新的出钢口砖后，使用喷补设备将灌浆料喷入出钢口与座砖的缝隙，使缝隙充填致密。
石墨因与钢渣的浸润性差，被广泛应用于镁碳砖中。然而传统镁碳砖中的石墨含量过高，一方面会对钢水有增碳作用，另一方面会造成大量的热量损失。单纯地降低镁碳砖的碳含量会带来抗氧化性、抗热震性和抗渣性变差的问题。针对以上问题，研究人员通过结合剂改性、高效抗氧化剂应用和原料优化三方面，来改善低碳镁碳砖的使用性能。
在碳质结合剂中引入催化剂原位生成碳纳米结构，提高低碳镁碳砖的抗氧化性、抗热震性和抗渣性。常用的结合剂是酚醛树脂，但是其在炭化后会变为具有高脆性的各向同性玻璃碳，同时在有机基团转变过程中释放出许多气态产物，这会影响低碳镁碳砖的抗热震性和高温力学性能[10]10]。
研究人员发现在酚醛树脂中添加适合的催化剂能够使无定型碳向结晶态转变[11]11]。Yage Li等人研究了以Fe、Co、Ni硝酸盐催化剂对酚醛树脂热解原位形成碳纳米管(CNT)的影响。结果表明，Fe硝酸盐是形成CNT的最佳催化剂。样品的高温抗折强度高于相同条件下制备的无催化剂样品[12]12]。如图3所示，在催化剂的作用下，大量碳纳米管和碳洋葱的生成，促进陶瓷相镁晶须和尖晶石晶须/颗粒的原位形成[13]13]。结合剂改性优化了样品的显微结构，生成石墨化碳和陶瓷相，提高了低碳镁碳砖的抗氧化性、抗渣性和抗热震性[14]14]。
氧化是影响低碳镁碳耐火材料使用寿命的主要因素，添加抗氧剂是抑制碳氧化的常用有效方法。抗氧化剂的作用是优先于碳被氧化或生成陶瓷相填充气孔阻碍氧介质进入耐火材料。低碳镁碳耐火材料中的抗氧化剂是金属粉末、碳化物和硼化物[15,16]15,16],典型的抗氧化剂反应机理如表3所示。
其中Al粉和Si粉被广泛应用于低碳镁碳耐火材料中，但是Al粉容易水化造成体积膨胀，影响致密性。基于此问题，研究人员通过燃烧合成法合成的AlB2-Al-Al2O3复合粉体解决了Al粉的缺点[17]。硅粉作为抗氧化剂可以提供镁碳砖的结合强度，生成SiC填充镁碳砖中的空隙，SiC有助于在氧化界面上形成致密的隔离层，保护石墨不被氧化[18,19,20]。但SiC会被氧化形成SiO2,与MgO形成尖晶石晶型的Mg2SiO4并伴随体积膨胀，适当的体积膨胀会提高镁碳耐火材料的强度和致密度[21]。另有学者研究了B4C+Si复合添加抗氧剂的方式，利用B4C生成低熔点化合物B2O3填充气孔，抑制氧介质通过气孔扩散，避免石墨氧化[22]。
低碳镁碳耐火材料的主要原料包括镁砂和石墨，石墨含量减少后其与镁砂的接触面积大大降低，导致石墨在基质中分散不均匀，降低了材料的抗热震性和抗渣性。有研究通过颗粒级配、碳源等措施来调控低材料中的气孔率。按颗粒连续最紧密堆积理论Andreassen公式计算低碳镁碳砖中的颗粒级配。研究发现[23,24]当临界颗粒大小为3mm时，适当提高低碳镁碳砖的粗颗粒比例，使单个粗颗粒与基质结合面积增加，断裂表面能增大，提高抗热震性。
日本某耐火材料公司研究人员发现并不是镁碳砖的高温力学性能越好，抗损毁性能越强。通过对镁碳砖基质增强或碳结合增强的两种方法，研发并应用于转炉的不同部位[25,26,27]。超细石墨[28]和不同粒度的石墨[29]可以很好地填充在低碳镁碳材料的空隙中，以使得材料基质致密化。在低碳镁碳砖基质中引入含碳微粉和使用非晶石墨+鳞片石墨混合使用以降低试样的气孔率，提高力学性能。非晶石墨的抗氧化性要好于鳞片石墨，两者混用能提高低碳镁碳砖的抗氧化性。此低碳镁碳砖应用于现场，试验包的平均侵蚀速率比正常包要低1.08mm/炉，具有良好的应用前景[30]。
转炉大面的修补采用镁碳质修补料，修补时会产生大量的黑烟以及修补时间较长，这都不利于现场环境和钢厂效益[31]。基于此问题，有研究人员用中档镁砂、电熔镁砂为主要原料和引入助烧剂铝粉、改性沥青结合剂，研发了环保型快速烧结大面修补料。使用时加入少量的液体润湿剂和助流剂，其环保性好，烧结时间短，平均寿命超过34炉[32]。
转炉耳轴和炉底受机械应力和炉渣侵蚀，需要经常对这两部位进行喷补。为改善现有镁碳质修补料不耐侵蚀和冲刷的缺点，开发了以镁砂为原料，碳和沥青为结合剂的喷补料。现场应用后，较原喷补料的使用寿命提高了30%[33]。
(1)对转炉炉衬进行综合砌筑，根据各部位的熔损状况，应用不同性能的镁碳砖，可以提高转炉的寿命和生产安全性，达到最好的综合经济效益。
(2)通过结合剂改性、原料优化、高效抗氧化剂应用等措施，可研发低碳镁碳砖、高强镁碳砖、抗氧化镁碳砖等高性能材料。
(3)从环保的角度出发，应减少转炉溅渣护炉的频率，并研发应用快速环保的转炉修补料，以解决烧结时间长、产生黑烟等问题。
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