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建立以耐火材料為核心的安全使用體系對(duì)鋼材的質(zhì)量、成本以及鋼廠的安全生產(chǎn)有著重要的影響。因此，在耐火材料應(yīng)用研究方面，眾多材料科學(xué)工作者通過分析相關(guān)耐火材料的損毀原因，給出了相關(guān)數(shù)理模型，如Akkurt等通過氬氣或CO氣氛保護(hù)下的管式爐用MgO-C磚高溫抗渣侵蝕試驗(yàn)表明，當(dāng)時(shí)間延長(zhǎng)，溫度升高，氣氛中的氧分壓增加以及爐渣的堿度下降時(shí)，耐火材料的侵蝕加劇，爐渣侵蝕的程度與失去碳的速率有關(guān)。徐平等研究了靜磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)、熔渣中Fe含量、碳含量等因素對(duì)MgO-C耐火材料抗渣蝕機(jī)制的影響。文獻(xiàn)中分別采用靜態(tài)坩堝法和感應(yīng)爐旋轉(zhuǎn)浸漬法在不同堿度渣條件下研究了β-SiAlON加入量對(duì)MgO基澆注料抗渣性的影響。
研究表明:試樣渣蝕界面形貌的分形維數(shù)與其抗渣侵蝕性具有線性關(guān)系。在實(shí)際操作中主要靠現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣來判斷耐火材料的損毀與失效。實(shí)際精煉過程中鋼渣的堿度是變化的，目前，鋼包耐火材料隨服役時(shí)間變化直至失效與動(dòng)態(tài)損毀的過程尚待進(jìn)一步研究。因此，在本工作中，采用感應(yīng)爐旋轉(zhuǎn)浸漬法研究了鋼渣堿度對(duì)鎂碳磚侵蝕速率的影響，分析了鎂碳磚隨時(shí)間損毀的過程，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)鎂碳磚使用損毀過程的模擬，為確保鋼包安全運(yùn)行，降低鋼包耐火材料消耗，提高潔凈鋼質(zhì)量提供實(shí)用指導(dǎo)和理論參考。
試驗(yàn)
1.1 樣磚和試樣制備
樣磚取自鄭州振東耐磨材料科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)YG8的梯形鎂碳磚(上部180mm×90mm，底部160mm×90mm，高230mm)，理化指標(biāo):w(C)=17%，體積密度2.87g·cm-3，顯氣孔率3.73%，常溫耐壓強(qiáng)度7.78MPa。在實(shí)驗(yàn)室用切割機(jī)把鎂碳磚切成45mm×45mm×230mm的試樣。
1.2 試驗(yàn)過程
把試樣夾在試驗(yàn)機(jī)床處，然后在感應(yīng)爐內(nèi)加入大約15kg的螺紋鋼(牌號(hào)HRB400)，打開電源，先預(yù)熱10min后，加大功率燒至鋼熔化，然后分別稱量?jī)煞N精煉鋼渣200g放入爐內(nèi)，調(diào)整功率，用紅外線測(cè)溫計(jì)(型號(hào)為Ircon，ux60p)測(cè)量鋼渣表面溫度。當(dāng)表面溫度達(dá)到1600℃并穩(wěn)定時(shí)，用試驗(yàn)機(jī)床夾好試樣浸入感應(yīng)爐鋼水中，在距離試樣底部15cm處停下(示意圖見圖1)，然后啟動(dòng)感應(yīng)爐轉(zhuǎn)速開關(guān)，使試樣的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在30r·min-1。精煉鋼渣1的堿度為1.3，精煉鋼渣2的堿度為2.1，具體化學(xué)組成見表1。
在試驗(yàn)過程中，每2h向感應(yīng)爐內(nèi)加入50g精煉渣，保持爐內(nèi)鋼渣成分穩(wěn)定，溫度保持不變。侵蝕時(shí)間分別設(shè)為0.5、1、1.5、2、2.5、3和3.5h。
1.3 性能表征
考慮到由于切割時(shí)的誤差以及渣線層的不確定性，在試樣的4個(gè)面分別標(biāo)上A、B、C、D，用鋼尺和游標(biāo)卡尺分別測(cè)量并記錄4個(gè)面距下底面每隔1cm時(shí)的寬度。用損毀指數(shù)表征鎂碳磚的損毀程度。損毀指數(shù)就是試樣在侵蝕試驗(yàn)前后在同一高度處寬度的差值。例如:當(dāng)侵蝕后的試樣渣線層距離底面的高度為10cm時(shí)，用A面的原來10cm處未侵蝕前的寬度減去現(xiàn)在侵蝕后的寬度得到A面雙倍寬度(因試樣侵蝕是一個(gè)面的兩側(cè)同時(shí)被侵蝕)，除以2就得到A面的平均寬度，即A面的損毀指數(shù)。依次計(jì)算10cm處的另外3個(gè)面，即得到4個(gè)面的損毀指數(shù)，求和再除以4，得到10cm處的平均損毀指數(shù)，即為10cm處的損毀指數(shù)。具體計(jì)算示意圖見圖2。
試樣的損毀程度用損毀指數(shù)y表示。圖2中H1為距離試樣底面某一位置的高度，H1因位置不同而代表不同的渣線部位，而i代表這一高度不同的面(i=1時(shí)代表這一高度的A面，i=2時(shí)代表這一高度的B面，i取3和4時(shí)分別代表H1處的C面和D面)，b為試樣損毀前的寬度，b'為損毀后的寬度，損毀指數(shù)的計(jì)算公式如(1)所示:
結(jié)果與分析
2.1侵蝕分析
計(jì)算經(jīng)精煉鋼渣1和精煉鋼渣2侵蝕后試樣10cm處的損毀指數(shù)，并制成圖3。同時(shí)根據(jù)損毀指數(shù)與侵蝕時(shí)間的關(guān)系，依據(jù)侵蝕速率v=Δy/Δt(Δy為連續(xù)兩點(diǎn)間損毀指數(shù)差值的絕對(duì)值，Δt為連續(xù)兩點(diǎn)間時(shí)間差值的絕對(duì)值)，每?jī)牲c(diǎn)求1次侵蝕速率，將兩種鋼渣兩點(diǎn)的侵蝕速率的值對(duì)應(yīng)一點(diǎn)，繪制成圖4曲線。
從圖3可以看出:兩種不同堿度的鋼渣對(duì)鎂碳磚的損毀指數(shù)隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)相同的規(guī)律，均是先增加后穩(wěn)定最后再增加，堿度較低的精煉鋼渣1先在1.5h時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。比較兩種鋼渣在相同時(shí)間內(nèi)的損毀指數(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，堿度低的精煉鋼渣1的損毀指數(shù)都比堿度高的精煉鋼渣2的大，說明低堿度精煉鋼渣1對(duì)鎂碳磚損毀更嚴(yán)重。
從圖4中看出:在0.5～1.5和2.5～3.5h時(shí)，低堿度的鋼渣對(duì)鎂碳磚的侵蝕速率都大于高堿度鋼渣的;在1.5～2.5h時(shí)，盡管低堿度鋼渣的侵蝕速率略小于高堿度鋼渣的，但由圖3中可以看出:1.5～2.5h的階段正是侵蝕相對(duì)穩(wěn)定的階段，而﹤2.5h時(shí)低堿度的鋼渣損毀指數(shù)大于高堿度鋼渣的，說明在相同時(shí)間內(nèi)低堿度的鋼渣平均侵蝕速率大于高堿度鋼渣的。由此說明，低堿度的鋼渣對(duì)鎂碳磚的侵蝕速率大于高堿度鋼渣的。分析認(rèn)為:鋼渣堿度的提高使鋼渣中氧化鈣和氧化鎂的含量增加，氧化鈣和氧化鎂可以中和鎂碳磚中的一些酸性氧化物，降低鋼渣中氧化鈣和氧化鎂的飽和度，進(jìn)而減少鋼渣對(duì)鎂碳磚中骨料的溶蝕。
由鎂質(zhì)耐火材料的CaO與SiO2質(zhì)量比和相組合的關(guān)系可知，系統(tǒng)中CaO與SiO2質(zhì)量比﹤1.87時(shí)，有低熔點(diǎn)物出現(xiàn)，始熔溫度變低，嚴(yán)重影響鎂質(zhì)耐火材料的耐火性能[8];CaO與SiO2質(zhì)量比≥1.87時(shí)，由于生成高耐火礦物而不致顯著降低耐火性能。由于鎂碳磚中碳被氧化后，鋼渣與鎂碳磚的界面形成MgO-CaO-SiO2，符合CaO與SiO2質(zhì)量比為0.93～1.87時(shí)生成低熔點(diǎn)物CMS;CaO與SiO2質(zhì)量比≥1.87時(shí)生成高熔點(diǎn)物C2S。精煉渣1的堿度處于0.93～1.4，生成的低熔點(diǎn)物比較多，這樣能促進(jìn)鎂砂顆粒的溶解進(jìn)而加速鎂砂顆粒的脫落。
2.2物相與顯微結(jié)構(gòu)分析
精煉鋼渣侵蝕后試樣10cm處表面的XRD圖譜見圖5。從圖5可以看出:低堿度鋼渣對(duì)鎂碳磚的侵蝕確實(shí)有低熔點(diǎn)物CMS生成，低熔點(diǎn)物的出現(xiàn)促進(jìn)了鎂砂顆粒的溶解進(jìn)而加速鎂砂顆粒的脫落。
鋼渣1對(duì)鎂碳磚試樣10cm處侵蝕后的SEM照片如圖6所示。從圖6(a)可以看出，鋼渣與鎂碳磚的界面非常清晰，鋼渣在鎂碳磚的表面有明顯的滲透。這可能是由于表面碳的氧化留下的氣孔或者由于自身表面的氣孔較大才使鋼渣滲透進(jìn)去的。從圖6(b)中可以看出，鎂碳磚本身并不是很致密，顆粒之間留有較大的空隙，這些空隙的存在為鋼渣向鎂碳磚里的滲透侵蝕留下空間，加速了鎂碳磚的氧化。
為了進(jìn)一步證明CMS的存在，取精煉渣1侵蝕過的度樣10cm處進(jìn)行掃描電鏡觀察(見圖7)并進(jìn)行能譜分析。在SEM照片中發(fā)現(xiàn)，侵蝕區(qū)域顆粒分布呈現(xiàn)小而多，大顆粒表面出現(xiàn)裂紋，裂紋相互貫通，裂紋的出現(xiàn)使侵蝕區(qū)域與外界連通，進(jìn)一步加速碳的氧化。點(diǎn)1的微區(qū)能譜分析結(jié)果(x)為:C46.36%，O37.41%，Mg4.08%，Al 2.31%，Si4.83%，Ca5.01%。證明了侵蝕區(qū)有CaMgSiO4生成。
(1)在小于3.5h時(shí)，低堿度鋼渣對(duì)鎂碳磚的侵蝕速率更大;在相同時(shí)間內(nèi)，低堿度鋼渣的損毀指數(shù)更大。
(2)堿度在1.3和2.1的條件下，鋼渣對(duì)鎂碳磚侵蝕速率呈現(xiàn)相同規(guī)律，即增大—降低—穩(wěn)定—增大的規(guī)律。
(3)低堿度鋼渣在侵蝕界面處生成低熔點(diǎn)物CMS，低熔點(diǎn)物的出現(xiàn)促進(jìn)鎂砂顆粒的溶解，進(jìn)而加速鎂砂顆粒的脫落。
評(píng)論區(qū)
