镁碳砖在钢包中的损毁原因、侵蚀速率的影响分析

因此，在耐火材料应用研究方面，众多材料科学工作者通过分析相关耐火材料的损毁原因，给出了相关数理模型，如Akkurt等通过氩气或CO气氛保护下的管式炉用MgO-C砖高温抗渣侵蚀试验表明，当时间延长，温度升高，气氛中的氧分压增加以及炉渣的碱度下降时，耐火材料的侵蚀加剧，炉渣侵蚀的程度与失去碳的速率有关。徐平等研究了静磁场、电磁场、熔渣中Fe含量、碳含量等因素对MgO-C耐火材料抗渣蚀机制的影响。文献中分别采用静态坩埚法和感应炉旋转浸渍法在不同碱度渣条件下研究了β-SiAlON加入量对MgO基浇注料抗渣性的影响。

研究表明:试样渣蚀界面形貌的分形维数与其抗渣侵蚀性具有线性关系。在实际操作中主要靠现场技术人员的经验和习惯来判断耐火材料的损毁与失效。实际精炼过程中钢渣的碱度是变化的，目前，钢包耐火材料随服役时间变化直至失效与动态损毁的过程尚待进一步研究。因此，在本工作中，采用感应炉旋转浸渍法研究了钢渣碱度对镁碳砖侵蚀速率的影响，分析了镁碳砖随时间损毁的过程，以期实现对镁碳砖使用损毁过程的模拟，为确保钢包安全运行，降低钢包耐火材料消耗，提高洁净钢质量提供实用指导和理论参考。

试验

1.1 样砖和试样制备

样砖取自郑州振东耐磨材料科技有限公司生产的型号YG8的梯形镁碳砖(上部180mm×90mm，底部160mm×90mm，高230mm)，理化指标:w(C)=17%，体积密度2.87g·cm-?，显气孔率3.73%，常温耐压强度7.78MPa。在实验室用切割机把镁碳砖切成45mm×45mm×230mm的试样。

1.2 试验过程

把试样夹在试验机床处，然后在感应炉内加入大约15kg的螺纹钢(牌号HRB400)，打开电源，先预热10min后，加大功率烧至钢熔化，然后分别称量两种精炼钢渣200g放入炉内，调整功率，用红外线测温计(型号为Ircon，ux60p)测量钢渣表面温度。当表面温度达到1600℃并稳定时，用试验机床夹好试样浸入感应炉钢水中，在距离试样底部15cm处停下，然后启动感应炉转速开关，使试样的转速稳定在30r·min-?。精炼钢渣1的碱度为1.3，精炼钢渣2的碱度为2.1。

在试验过程中，每2h向感应炉内加入50g精炼渣，保持炉内钢渣成分稳定，温度保持不变。侵蚀时间分别设为0.5、1、1.5、2、2.5、3和3.5h。

1.3 性能表征

考虑到由于切割时的误差以及渣线层的不确定性，在试样的4个面分别标上A、B、C、D，用钢尺和游标卡尺分别测量并记录4个面距下底面每隔1cm时的宽度。用损毁指数表征镁碳砖的损毁程度。损毁指数就是试样在侵蚀试验前后在同一高度处宽度的差值。例如:当侵蚀后的试样渣线层距离底面的高度为10cm时，用A面的原来10cm处未侵蚀前的宽度减去现在侵蚀后的宽度得到A面双倍宽度(因试样侵蚀是一个面的两侧同时被侵蚀)，除以2就得到A面的平均宽度，即A面的损毁指数。依次计算10cm处的另外3个面，即得到4个面的损毁指数，求和再除以4，得到10cm处的平均损毁指数，即为10cm处的损毁指数。试样的损毁程度用损毁指数y表示。图2中H1为距离试样底面某一位置的高度，H1因位置不同而代表不同的渣线部位，而i代表这一高度不同的面(i=1时代表这一高度的A面，i=2时代表这一高度的B面，i取3和4时分别代表H1处的C面和D面)，b为试样损毁前的宽度，b'为损毁后的宽度，损毁指数的计算公式如(1)所示:

结果与分析

2.1侵蚀分析

计算经精炼钢渣1和精炼钢渣2侵蚀后试样10cm处的损毁指数，并制成图3。同时根据损毁指数与侵蚀时间的关系，依据侵蚀速率v=Δy/Δt(Δy为连续两点间损毁指数差值的绝对值，Δt为连续两点间时间差值的绝对值)，每两点求1次侵蚀速率，将两种钢渣两点的侵蚀速率的值对应一点，绘制成图4曲线。

两种不同碱度的钢渣对镁碳砖的损毁指数随时间的变化呈现相同的规律，均是先增加后稳定最后再增加，碱度较低的精炼钢渣1先在1.5h时达到稳定。比较两种钢渣在相同时间内的损毁指数时发现，碱度低的精炼钢渣1的损毁指数都比碱度高的精炼钢渣2的大，说明低碱度精炼钢渣1对镁碳砖损毁更严重。

从图4中看出:在0.5～1.5和2.5～3.5h时，低碱度的钢渣对镁碳砖的侵蚀速率都大于高碱度钢渣的;在1.5～2.5h时，尽管低碱度钢渣的侵蚀速率略小于高碱度钢渣的，但由图3中可以看出:1.5～2.5h的阶段正是侵蚀相对稳定的阶段，而﹤2.5h时低碱度的钢渣损毁指数大于高碱度钢渣的，说明在相同时间内低碱度的钢渣平均侵蚀速率大于高碱度钢渣的。由此说明，低碱度的钢渣对镁碳砖的侵蚀速率大于高碱度钢渣的。分析认为:钢渣碱度的提高使钢渣中氧化钙和氧化镁的含量增加，氧化钙和氧化镁可以中和镁碳砖中的一些酸性氧化物，降低钢渣中氧化钙和氧化镁的饱和度，进而减少钢渣对镁碳砖中骨料的溶蚀。

由镁质耐火材料的CaO与SiO2质量比和相组合的关系可知，系统中CaO与SiO2质量比﹤1.87时，有低熔点物出现，始熔温度变低，严重影响镁质耐火材料的耐火性能[8];CaO与SiO2质量比≥1.87时，由于生成高耐火矿物而不致显著降低耐火性能。由于镁碳砖中碳被氧化后，钢渣与镁碳砖的界面形成MgO-CaO-SiO2，符合CaO与SiO2质量比为0.93～1.87时生成低熔点物CMS;CaO与SiO2质量比≥1.87时生成高熔点物C2S。精炼渣1的碱度处于0.93～1.4，生成的低熔点物比较多，这样能促进镁砂颗粒的溶解进而加速镁砂颗粒的脱落。

2.2物相与显微结构分析

精炼钢渣侵蚀后试样10cm处表面的XRD图谱见图5。从图5可以看出:低碱度钢渣对镁碳砖的侵蚀确实有低熔点物CMS生成，低熔点物的出现促进了镁砂颗粒的溶解进而加速镁砂颗粒的脱落。

钢渣1对镁碳砖试样10cm处侵蚀后的SEM照片如图6所示。钢渣与镁碳砖的界面非常清晰，钢渣在镁碳砖的表面有明显的渗透。这可能是由于表面碳的氧化留下的气孔或者由于自身表面的气孔较大才使钢渣渗透进去的。从图6(b)中可以看出，镁碳砖本身并不是很致密，颗粒之间留有较大的空隙，这些空隙的存在为钢渣向镁碳砖里的渗透侵蚀留下空间，加速了镁碳砖的氧化。

图6 镁碳砖试样侵蚀后的SEM照片

为了进一步证明CMS的存在，取精炼渣1侵蚀过的度样10cm处进行扫描电镜观察并进行能谱分析。在SEM照片中发现，侵蚀区域颗粒分布呈现小而多，大颗粒表面出现裂纹，裂纹相互贯通，裂纹的出现使侵蚀区域与外界连通，进一步加速碳的氧化。点1的微区能谱分析结果(x)为:C46.36%，O37.41%，Mg4.08%，Al 2.31%，Si4.83%，Ca5.01%。证明了侵蚀区有CaMgSiO4生成。

结论

(1)在小于3.5h时，低碱度钢渣对镁碳砖的侵蚀速率更大;在相同时间内，低碱度钢渣的损毁指数更大。

(2)碱度在1.3和2.1的条件下，钢渣对镁碳砖侵蚀速率呈现相同规律，即增大—降低—稳定—增大的规律。

(3)低碱度钢渣在侵蚀界面处生成低熔点物CMS，低熔点物的出现促进镁砂颗粒的溶解，进而加速镁砂颗粒的脱落。