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鋼包渣線是鋼水與空氣直接接觸的部位，目前鋼包渣線砌筑大都采用的是鎂碳磚，該部位由于溫差與富氧環(huán)境的存在，使得侵蝕速度較其他部位明顯加快，再加上鋼水在運轉(zhuǎn)過程中的傾翻及排渣作業(yè)，對渣線造成很大程度的破壞，因此鋼包渣線部位是維修頻率最大的部位之一。
圖1 鋼包內(nèi)襯耐材結(jié)構(gòu)示意圖
鋼包渣線壽命主要受外部環(huán)境、耐材品質(zhì)以及砌筑方式等三個方面的影響和制約。
(1)外部環(huán)境
鋼包是一種承接鋼水、進行澆注作業(yè)的設(shè)備，鋼水的溫度往往在 1500℃左右，鋼包渣線在此溫度下與空氣接觸，將產(chǎn)生強烈的氧化反應(yīng)。不僅如此，鋼水與空氣的接觸面的溫差對鋼包渣線的影響也是相當劇烈的，較大的溫差將對鋼包渣線的熱穩(wěn)定性進行嚴峻的考驗[20]，在頻繁的承接、傾倒作業(yè)中，耐材將產(chǎn)生一定程度的崩裂。因此，在外部環(huán)境中，高溫下的氧化對渣線的侵蝕造成了很大程度的影響，同時溫度的巨大改變，對耐材的熱穩(wěn)定性提出了很高的要求，在耐材受到熔損和崩裂的相互作用下，鋼包渣線很容易遭到破壞，進而產(chǎn)生滲鋼的現(xiàn)象。
LF 精煉渣易造成鎂碳磚氧化、脫碳， LF 渣高溫下黏度比較低，在脫碳層中的滲透能力很強，而且對氧化鎂具有較高的溶解性，同時，熔渣容易滲入到方鎂石的晶界處離解鎂砂顆粒，如圖2(圖中 SA為渣;TA為三塊交匯處)因此， LF 渣線鎂碳磚的使用壽命都是比較低的。沈平等系統(tǒng)地研究了鋼包鎂碳磚在 LF 精煉處理過程的損毀機理，表明尺寸較小的 MgO 晶粒骨料容易被高溫熔渣侵蝕，侵蝕后熔渣會繼續(xù)沿著方鎂石晶界滲入 MgO 骨料內(nèi)部，最終造成方鎂石骨料的解理。
圖2 熔渣沿著方鎂石晶界滲入
鎂碳磚在鋼包內(nèi)不同的服役溫度區(qū)域及其自身內(nèi)部的不同組織結(jié)構(gòu)造成其損毀及侵蝕機理的不同，在近鋼液面的高溫區(qū)域，鎂碳磚自身會發(fā)生 MgO 與碳的反應(yīng)，形成脫碳層，高溫下熔渣與鎂碳磚的潤濕性更好且 MgO 向熔渣溶解的趨勢更大，相比近空氣側(cè)的低溫區(qū)域，鎂碳磚受熔渣侵蝕更嚴重。此外，鋼包進行的扒渣及修理作業(yè)，也不可避免的將對鋼包渣線產(chǎn)生人為的損傷，扒渣機和拆包機在對渣線冷鋼和殘渣進行清理的同時，將對鋼包渣線產(chǎn)生震動及誤傷，進而對鋼包渣線造成一定程度的損害，盡管這種損害對渣線整體質(zhì)量的影響微乎其微，但仍會加大鋼包渣線的維修頻率。
(2)耐材品質(zhì)
目前鋼包渣線主要使用鎂碳磚砌筑，不論是傳統(tǒng)的鎂碳磚還是在目前大量使用的低碳鎂碳磚，主要利用鱗片狀石墨作為其碳源，鱗片石墨一般選用-197、 -196等，即粒度大于 100 目、純度高于 97%或 96%(質(zhì)量分數(shù))， 結(jié)合劑為熱硬性酚醛樹脂，碳化反應(yīng)時，自身鏈段發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能形成鎂砂顆粒與石墨等之間的機械互鎖力。石墨作為生產(chǎn)鎂碳磚的主要原料，主要得益于其優(yōu)良的物理性能： ①對爐渣的不濕潤性， ②高的導(dǎo)熱性， ③低的熱膨脹性。此外，石墨與耐火材料不發(fā)生共熔， 且石墨耐火度高， 正是由于這一特性，鎂碳磚被選用在使用環(huán)境較為苛刻的渣線上[24]。對于低碳鎂碳磚(碳的質(zhì)量分數(shù)≤8%)或超低碳鎂碳磚(碳的質(zhì)量分數(shù)≤3%)，因碳含量低而難以形成連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以低碳鎂碳磚的組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計較為復(fù)雜，相反，高碳鎂碳磚(碳的質(zhì)量分數(shù)>10%)組織結(jié)構(gòu)設(shè)計相對簡單。
由于鎂碳磚易受潮以及配方選用上的影響，鎂碳磚的性能將受到一定的影響。鎂碳磚受潮以后，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)松散，在高溫下水分逸出產(chǎn)生多空通道，對鎂碳磚的熱穩(wěn)定性及抗侵蝕能力都將產(chǎn)生負面影響，同時應(yīng)對鋼水的沖刷能力也將大大減弱。MgO-C 對熱機械磨蝕很敏感，這是因為 MgO 熱膨脹系數(shù)具有較高的可逆性。鎂碳磚的結(jié)合劑也是影響鎂碳磚品質(zhì)的一個重要因素，結(jié)合劑含量太多或者太少，都將對鎂碳磚的性能產(chǎn)生影響，結(jié)合劑含量太少，鎂碳磚粉料結(jié)合不緊密，容易被沖刷剝落;結(jié)合劑含量太多，鎂碳磚的熱震穩(wěn)定性和耐火度都將變差，同時會對鋼水加入過多的有害元素。
鋼包承接轉(zhuǎn)爐鋼水時會同時伴有大量鋼渣，鋼渣中低熔點的 2CaO·SiO2 溶入于 MgO 晶界并與 MgO 層微量雜質(zhì)元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對鎂質(zhì)耐火材料的溶蝕起到了主要作用， 從轉(zhuǎn)爐渣角度考慮，對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(jié)構(gòu)等方面。
此外，鎂碳磚中抗氧化劑的加入也對其品質(zhì)產(chǎn)生影響， 為了提高鎂碳磚的抗氧化性，常加入少量的添加劑，常見的添加劑有 Si、Al、Mg、Al-S、Al-Mg、Al-Mg-Ca、Si-Mg-Ca、 SiC、 B4C、 BN 和 Al-B-C 和 Al-SiC-C 系等添加劑， 添加劑的作用主要有兩個方面：一方面是從熱力學(xué)觀點出發(fā)，在工作溫度下，添加物或者添加物和碳反應(yīng)生成其他物質(zhì)，它們與氧的親和力比碳與氧的親和力大，優(yōu)先于碳被氧化從而起到保護碳的作用，另一方面從動力學(xué)的角度來考慮添加劑與 O2， CO 或者碳反應(yīng)生成的化合物改變碳復(fù)合耐火材料的顯微結(jié)構(gòu)，如增加致密度，堵塞氣孔，
阻礙氧及反應(yīng)產(chǎn)物的擴散等[28]。目前鎂碳磚中主要采用了 Al粉來防止碳素的氧化，雖然 Al 在抗氧化方面具備較強的能力，但是在高溫下， Al 與 C 及 N2發(fā)生反應(yīng)形成 Al 的碳、 氮化合物，其中 Al 的碳化物在高溫到低溫過程中易發(fā)生水化，導(dǎo)致鎂碳磚內(nèi)部形成空隙，從而引起結(jié)構(gòu)松散，產(chǎn)生裂縫。鑒于這種情況，國內(nèi)一些耐材廠家已經(jīng)采用粉、硅粉和碳粉為原料在真空燒結(jié)爐中制備 AI4SiC4 粉體，并將其作為抗氧化劑應(yīng)用于鎂碳磚，研究其對鎂碳磚抗氧化性能的影響發(fā)現(xiàn) AI4SiC4 不僅具有很強的抗氧化性能而且能夠避免傳統(tǒng)抗氧化劑所存在的水化開裂的問題。
(3)砌筑方式
鋼包渣線鎂碳磚普遍采用干砌(直接堆放磚，無火泥粘結(jié))和濕砌(采用火泥結(jié)合耐火磚)兩種，干砌的優(yōu)點在于最大程度上減少了火泥帶來的影響，在高溫狀態(tài)下，由于鎂碳磚與火泥的材質(zhì)不同，受溫度影響熱膨脹率不同，容易在接觸面產(chǎn)生縫隙。這種方式的缺點在于鎂碳磚之間無法保證百分百的接觸緊密，同時當鎂碳磚受熱膨脹時，磚與磚之間沒有緩沖的余地，從而造成磚塊擠壓斷裂;或者由于鎂碳磚膨脹，整環(huán)渣線整體抬升，巨大的擠壓力使包沿板變形，耐材失去保護被沖刷剝落，對渣線的質(zhì)量產(chǎn)生較大的威脅。
濕砌的方式與建筑上的砌筑方式類似，只是在要求上更為嚴格，該方式的優(yōu)點在于很好的避免了干砌中可能產(chǎn)生的縫隙，同時在高溫下火泥強度較弱，當鎂碳磚受熱膨脹時，可以產(chǎn)生流動以適應(yīng)磚之間縫隙的改變，分散了磚之間的擠壓力，從而很好的避免了縫隙的產(chǎn)生。這種方式的缺點在于火泥的使用使得渣線的結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，同時提高了砌筑難度，如果火泥不均勻，將依然會在磚與磚之間產(chǎn)生空縫。
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