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張玲 尹坤寶 韓明潔 高慧楠
遼寧科技大學(xué)高溫材料與鎂資源工程學(xué)院
【摘要】本文采用電熔鎂砂骨料、鎂鈣砂骨料、鎂砂細(xì)粉、鱗片狀石墨等，經(jīng)過稱量、混合、成型、熱處理等工序，制備了鎂碳磚和鎂鈣碳磚。采用靜態(tài)坩堝法進(jìn)行抗渣性試驗(yàn)，取渣與磚接觸的坩堝底部制成光片，用掃描電鏡配合能譜進(jìn)行觀察分析。結(jié)果表明：鎂鈣碳磚對(duì)于高鈦爐渣表現(xiàn)出較好的抗渣侵蝕性能，其主要原因是鎂鈣碳磚中的CaO與爐渣中的TiO2作用，生成了高熔點(diǎn)的鈦酸鈣，形成致密保護(hù)層，阻止了爐渣的進(jìn)一步滲透，同時(shí)保護(hù)了碳不被氧化，提高了其抵抗高鈦爐渣侵蝕的能力。
鎂碳磚作為堿性煉鋼的爐襯材料，曾經(jīng)為鋼包和轉(zhuǎn)爐的使用壽命提高做出過巨大貢獻(xiàn)。但是對(duì)于高鈦爐渣，其抗侵蝕性表現(xiàn)出了局限性。本研究發(fā)現(xiàn)鎂鈣碳磚對(duì)于高鈦爐渣表現(xiàn)出較好的抗渣侵蝕性能。
1試驗(yàn)
采用電熔鎂砂骨料、鎂鈣砂骨料、鎂砂細(xì)粉、鱗片狀石墨和防氧化劑金屬鋁粉為原料，經(jīng)過稱量、混合、成型、熱處理等工序，制備了鎂碳磚和鎂鈣碳磚。其理化指標(biāo)見表1。
表1 試驗(yàn)磚的理化指標(biāo)
|
項(xiàng)目 |
化學(xué)成分/w/% |
體積密度 /(g·cm-3) |
顯氣孔率/% |
常溫耐壓強(qiáng)度/MPa |
|||||
|
MgO |
CaO |
SiO2 |
Fe2O3 |
Al2O3 |
C |
||||
|
鎂碳磚 |
79.94 |
0.98 |
0.74 |
0.76 |
5.77 |
13.96 |
3.40 |
2.94 |
25 |
|
鎂鈣碳磚 |
67.68 |
19.5 |
0.96 |
0.73 |
0.55 |
7.04 |
2.90 |
2.6 |
52 |
采用靜態(tài)坩堝法進(jìn)行抗渣性試驗(yàn)。根據(jù)GB/T 7321確定試樣制取部位，將試樣制成85 mm×85 mm×75 mm的長(zhǎng)方體，沿試樣成型方向，在試樣頂面的中心，鉆取內(nèi)徑40 mm，深度35mm±2.0mm的坩堝，將坩堝的內(nèi)壁和底部磨平。試樣于110℃干燥2h后，裝入60g爐渣填滿坩堝（爐渣化學(xué)成分見表2），為了防止加熱過程中爐渣熔化從坩堝中飛濺出來，將每塊磚上蓋上磚蓋。將裝好渣的坩堝試樣逐個(gè)裝入爐膛，為了使同一種試樣受熱均勻，每個(gè)試樣制備兩個(gè)坩堝，并錯(cuò)位放置于爐膛內(nèi)，每個(gè)試樣之間距離約為2mm，并將電爐加熱至1550℃下，保存3h。
表2 爐渣的化學(xué)成分/%
|
TiO2 |
FeO |
SiO2 |
CaO |
MgO |
|
23～36 |
0.77～1.29 |
19～25 |
﹤3.5 |
18～32 |
保溫結(jié)束后，待試樣隨爐自然冷卻至室溫，沿坩堝的軸線方向?qū)ΨQ切開，觀察和比較其截面，判斷熔渣熔損和滲透的情況。取渣與磚接觸的坩堝底部制成光片，用掃描電鏡配合能譜觀察分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 鎂碳磚和鎂鈣碳磚抗高鈦爐渣的侵蝕性
圖1為鎂碳磚和鎂鈣碳磚渣侵后縱剖面照片?？梢钥闯觯跉堄酄t渣與坩堝底部的接觸處，可以觀察到平行于坩堝底部的位于爐渣與原磚之間的裂縫，表明鎂碳磚中的碳被氧化后造成的結(jié)構(gòu)疏松；而在鎂鈣碳磚試樣的坩堝底部卻沒有觀察到這種現(xiàn)象，爐渣剩余較多，渣與磚試樣的接觸緊密。
圖1 渣侵后試驗(yàn)磚縱剖面照片
圖2為渣侵后試樣的SEM照片。由圖2（a）可見鎂碳磚結(jié)構(gòu)疏松，黑色部分（A點(diǎn)處）為骨料脫落留下的孔洞，說明脫碳層很厚，為3.49 mm；而鎂鈣碳磚試樣未見明顯的骨料脫落現(xiàn)象，只在與爐渣接觸處有少量的氣孔，脫碳層為1.86 mm，見圖2（b）?？梢婃V鈣碳磚與鎂碳磚相比脫碳層薄。
圖2 渣侵后試樣的SEM照片
進(jìn)一步將鎂鈣碳磚試樣放大觀察發(fā)現(xiàn)，在其內(nèi)部存在一層致密的反應(yīng)層，見圖3中白色部分，能譜分析表明，該部分主要為1點(diǎn)、2點(diǎn)和3點(diǎn)的組成。
圖3中1點(diǎn)能譜見圖4，其主要成分為CaO和TiO2，可能為鈦酸鈣。
2.2 鎂鈣碳磚抗高鈦爐渣的侵蝕機(jī)制分析
在1550℃渣侵條件下，鎂鈣碳磚中的3個(gè)主要組分：MgO、CaO和C與爐渣中的TiO2發(fā)生如下反應(yīng)：
CaO + TiO2 = CaO·TiO2 ， （1）
3CaO + 2TiO2 = 3CaO·2TiO2 ， （2）
4CaO + 3TiO2 = 4CaO·3TiO2 ， （3）
3CaO + 2TiO2 = Ca3Ti2O7 。 （4）
根據(jù)資料并用HSCchemsitry軟件作圖：其△G與溫度之間的關(guān)系見圖7。
MgO + TiO2 = MgTiO3 （5）
MgO + 2TiO2 = MgTi2O5 （6）
2MgO + TiO2 = Mg2TiO4 （7）
其△G與溫度(T)之間的關(guān)系見圖8。
C + TiO2 = TiC + O2(g) ， （8）
C + TiO2 = TiO+ CO(g) ， （9）
C + TiO2 = Ti+ CO2(g) ， （10）
C + TiO2 = TiO(g)+ CO(g) 。 （11）
其△G與溫度(T)之間的關(guān)系見圖9。
圖9 C與TiO2反應(yīng)的其△G—T關(guān)系圖
從這三組反應(yīng)式可以分析，在1550℃下，式（2、8-11）不反應(yīng)；式（5-7）的△G均高于反應(yīng)式（1、3、4）。△G最小值為反應(yīng)式（3），其次為反應(yīng)（4），再次是反應(yīng)（1）。即CaO和TiO2反應(yīng)生成鈦酸鈣。所以圖3中新生成的礦物相最多的即為鈦酸鈣；從能譜吸收的成分分析（見表3），CaO和TiO2的比例大約也在反應(yīng)式（3）的結(jié)果4:3。其次有少量灰色的2點(diǎn)礦物，含鈣鎂硅的硅酸鹽相，見圖5。
表3 圖3中1點(diǎn)的能譜成分
|
元素 |
重量/% |
原子/% |
化合物/% |
化學(xué)式 |
|
C K |
3.27 |
6.75 |
11.96 |
CO2 |
|
Mg K |
0.87 |
0.89 |
1.44 |
MgO |
|
Al K |
0.49 |
0.45 |
0.92 |
Al2O3 |
|
Si K |
0.54 |
0.47 |
1.15 |
SiO2 |
|
Ca K |
25.92 |
16.05 |
36.27 |
CaO |
|
Ti K |
24.88 |
12.89 |
41.50 |
TiO2 |
|
Fe K |
5.26 |
2.34 |
6.76 |
FeO |
|
O |
38.79 |
60.17 |
|
|
|
總量 |
100.00 |
|
|
|
4CaO·3TiO2為不穩(wěn)定化合物，1755℃發(fā)生轉(zhuǎn)熔反應(yīng)：
4CaO·3TiO2 =L+CaO·TiO2 (12)
鈦酸鈣(CaO·TiO2)熔點(diǎn)高達(dá)1915℃，高熔點(diǎn)相的出現(xiàn)，在爐渣中則會(huì)提高黏度，減緩熔渣向耐火材料中的滲透，從而提高抗渣性;同時(shí)鈦酸鈣的形成在耐火材料的外部形成致密保護(hù)層，阻止熔渣的進(jìn)一步侵入，同時(shí)保護(hù)鎂鈣碳磚內(nèi)部的碳不被繼續(xù)氧化，磚的內(nèi)部就不會(huì)由于脫碳造成組織劣化，提高了耐火材料的抗沖刷性能；不僅如此，該致密層厚度很薄（見圖3），不會(huì)造成結(jié)構(gòu)剝落，因此，鈦酸鈣的形成提高了抗渣性，能夠延長(zhǎng)鎂鈣碳磚的使用壽命。
3結(jié)論
與鎂碳磚相比，鎂鈣碳磚具有更優(yōu)越的抵抗高鈦爐渣侵蝕的能力，主要原因是鎂鈣碳磚中的CaO與爐渣中的TiO2作用，生成了高熔點(diǎn)的鈦酸鈣，形成致密保護(hù)層，阻止了爐渣的進(jìn)一步滲透，同時(shí)保護(hù)了碳不被氧化，提高了其抵抗高鈦爐渣的侵蝕能力。
評(píng)論區(qū)
