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轉爐用鎂碳磚的應用分析

發布日期: 2020-02-13 09:03:47    閱讀量(122)    作者:劉梓明

轉爐渣的典型成分(質量分數)為:CaO50%,Al2O318%,SiO224%,ΣFe25%;該種渣的堿度大、黏度也較高,最重要的是該渣中的ΣFexO含量較高,對鎂碳磚的氧化作用比較強。轉爐爐襯使用壽命一般要求為幾千爐甚至一、二萬爐,因此,對轉爐鎂碳磚抵抗熔渣滲透和侵蝕性能的要求還是非常高的。

轉爐鎂碳磚的骨料一般采用電熔鎂砂97(MgO質量分數≥97%)或電熔鎂砂98(MgO質量分數≥98%),碳質量分數一般為12%~16%,抗氧化劑一般為金屬鋁粉、金屬硅粉等。轉爐鎂碳磚的碳含量相對較高,主要著眼于提高抗滲透性和耐剝落性。

由于轉爐渣黏度較高,鎂碳磚在使用過程中一般會在工作端形成爐渣層、反應層、脫碳層和原磚層等結構,如圖1。轉爐鎂碳磚在使用中除承受鋼水攪拌和沖擊所帶來的機械損毀外,主要是熔渣的滲透和侵蝕。由于轉爐為吹氧操作,且渣中含有較多的ΣFexO,因此,鎂碳磚工作端的碳很容易被氧化而形成脫碳層,結構疏松的脫碳層很容易被熔渣滲透,形成反應層。而FexO的存在使熔渣與鎂碳磚表面形成Mg(Fe)O或MgFe2O3等的黏接層,由此形成了層帶結構。

轉爐渣除沿著氣孔和脫碳層滲入、損毀鎂碳磚外,還沿著方鎂石的晶界滲入而解離鎂砂顆粒,如圖2,熔渣層中主要存在2CaO·SiO2和2CaO·Fe2O3兩相,即C和D相;侵蝕區域主要礦物為A、B和E,其中B為固溶了FeO的(Mg、Fe)O相,A、E分別與熔渣層的D、C相性質相近,相比之下,他們都多了一些MgO,尤其是A相還固溶了一些Si、Al元素。從A相在侵蝕區域的分布數量可以看出,低熔點2CaO·SiO2溶入于MgO晶界并與MgO層微量雜質元素的化學反應,對鎂質耐火材料的溶蝕起到了主要作用。綜上所述,對轉爐鎂碳磚性能改進的研究主要集中在鎂砂、防氧化劑和微觀結構等方面。

圖1轉爐鎂碳磚工作端示意圖

圖2轉爐渣滲入到方鎂石晶界處

方鎂石結晶尺度和鎂砂品位是影響鎂碳磚抵抗侵蝕性的關鍵因素之一。尹明強等選用四種不同的鎂砂研究了種類及其臨界粒度對低碳鎂碳磚性能的影響,鎂砂的理化性能見表1。結果表明:電熔鎂砂純度高、方鎂石結晶尺度大,則試樣的體積穩定性和抗渣性能就越好,如圖3。鎂砂中的雜質成分CaO、Fe2O3、Al2O3和SiO2等一般存在于方鎂石的晶界處,而熔渣主要沿晶界滲入,這也就是為什么鎂砂品位低的鎂碳磚的抗侵蝕性能相對較差的原因。

表1鎂砂理化性能指標

另外,鎂砂中雜質CaO/SiO2(C/S)比值也很關鍵。當C/S≤2且含量較高時,低熔點的硅酸鹽包裹在方鎂石晶體周圍;當C/S≥2時,硅酸鹽呈孤立狀存在于方鎂石晶粒晶界,方鎂石晶體則彼此直接結合,高溫性能較好;以該鎂砂制備的鎂碳磚的抗熔渣侵蝕性也較好。因此,轉爐鎂碳磚一般選用C/S大于2的電熔鎂砂。在轉爐兌鐵側、耳軸或渣線鎂碳磚大都采用質量分數98.%的電熔鎂砂,而像熔池、爐帽等部位的原料可以相對降低一些。一般講,在熔渣侵蝕嚴重,要求苛刻的部位通常選擇品位較高,結晶尺度較大的鎂砂,像杭文明與王遠林在其發明的一種新型轉爐自動擋渣滑動水口中就選用了98%電熔鎂砂。另外,電熔鎂砂的臨界粒度增加也可以改善鎂碳磚的抗渣性能,但要顆粒級配合適。

圖3不同鎂砂種類試樣經1600℃3h熱處理后的抗渣侵蝕寬度和深度

鎂碳磚抵抗熔渣滲透、侵蝕等除與鎂砂品位和結晶尺度相關外,還與鎂碳磚的結構有關,即顆粒級配、顆粒間的界面結構等。王長明等基于Andreassen公式計算了顆粒級配,并研究了3種鎂砂臨界粒度和粒度分布系數對低碳鎂碳磚常溫物理性能、抗氧化性及抗侵蝕性的影響。結果表明:適當的鎂砂臨界粒度和顆粒級配可增大石墨與鎂砂的接觸表面,減緩鎂砂高溫條件下的熱膨脹應力,提高抗侵蝕性能;并得出臨界粒度為3mm時較好。對于臨界顆粒、石墨含量或防氧化劑不同時,則鎂碳磚的結構設計也有所不同。

圖4 不同配料組成的熔渣滲透深度圖

為強化鎂碳磚的抗滲透性,近幾年在納米碳強化基質方面進行了較多的研究工作。相比常用的石墨等,納米碳粒度小、比表面積大、反應活性高,其在引入鎂碳磚后可以起到如下強化機制:

(1)有助于形成晶須、纖維或者化合物等,如棒狀碳化鋁;

(2)可以更均勻分散在耐火材料的基體中,更好地填充空隙而強化材料的性能;

(3)原位生成相的分布更為均勻,較常規的僅添加石墨的材料表現出更高的抗渣性和高溫抗折強度等。

Behera等采用N220和添加金屬Al粉等使低碳鎂碳磚表現出很好的抗氧化性和高溫強度。如圖4~5,鎂碳磚試樣按照防氧化劑添加種類的不同分為了3組,Al粉:Al0、Al1;Si粉:Si0、Si1;Mg粉:Mg0、Mg1,每組內的0、1分別表示未添加和添加了1%質量分數的納米炭黑。結果表明:不論添加何種金屬抗氧化劑,與常規的含16%質量分數的石墨的試樣相比,含有納米碳的低碳鎂碳磚在防氧化性和強度等方面具有更優良的性能。

圖5不同配料組成的高溫抗折強度

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