深度分析碳复合耐火材料的局部熔损及控制
发布日期： 2018-02-28 10:20:13 阅读量（516） 作者：复合耐火材料作为钢铁冶炼过程中使用的重要材质或者关键部件而被广泛使用，但由于它们在熔渣-金属界面使用时往往产生局部溶损而左右其使用寿命。
一例如，现代钢包通常采用MgO-C砖（镁碳砖）以加强渣线部位而一般壁则采用氧化物系耐火材料分区筑衬的方案，但往往在两种材质边界上却会发生局部溶损的问题，结果则导致寿命降低而报废。这种局部熔损发生在不同种类耐火材料的边界上，而显著的熔损主要发生在熔渣-金属界面上。
又如，高炉出铁槽的局部熔损，不仅在熔渣表面，而且在熔渣-铁水界面上也显著地发生。产生局部熔损是因为在局部熔损部位的出铁槽材料-金属间常常存在薄的液体状态的渣膜，渣膜成分上下方向发生变化，存在着界面张力梯度。由于这种界面张力梯度诱发渣膜运动，结果则有效地促进了扩展层的物质迁移，而且也引起了耐火材料的磨损加大。
再如，向井楠宏等人用CaO - Al2O3 - SiO2溶渣及CaO - Al2O3 - CaF2熔渣研究过Al2O3 - C质连铸用浸入式水口材料的(粉末-金属)界面局部熔损。他们的研究是采用X射线透射装置，直接观察局部熔损进行中的水口材料(坩埚)-熔渣-金属三相边界附近的情况。结果查明，局部熔损部位的熔渣金属界面，一方面反复进行如图1所示的上下运动，另一方面则产生了局部熔损。像图 1那样的熔渣-金属界面处于下降期时，水口材料和金属间浸入了熔渣而形成了渣膜，由水口材料产生氧化物熔解于渣膜中。如果水口材料表面变成了富石墨化，那么和石墨黏附不好的渣膜就会被绽开而后退，接着则由黏附良好的金属使水口材料表面被黏着，导致熔渣-金属界面上升(图1)。在这个熔渣-金属界面的上升期间，与金属直接接触的石墨便迅速地熔解于金属中。相反，如果水口材料表面变成了氧化物富化区，那么同氧化物黏附良好的熔渣会从上部渣相浸入而再次形成渣膜。由于这一过程反复发生使局部熔损不断进行。显然，熔渣-金属界面上下运动一个周期的时间越短，局部熔损速度就越大。
图1在浸入水口材料的局部熔损部位附近的熔渣-金属界面的上下运动情况
a—上升期;b—下降期
在实际的连铸工艺中，因为金属中的碳浓度低，所以石墨向金属中的熔解速度快，熔渣-金属界面的上升期与下降期相比，是非常短的，因而这个上升期便成为局部熔损的主要推进期。这一结果为我们在材质设计时对如何控制连铸水口在熔渣-金属界面的局部熔损，提高水口使用寿命提供了重要依据。
可见，解释局部熔损机理即可为确立防止局部熔损奠定基础。另外，从广义上来看，扩大、深化关于高温界面现象的研究对于确立抑制耐火材料的局部熔损的对策也是重要的内容。
现在看来，可以根据不同的使用场合，分别采用不同的对策来抑制耐火材料局部熔损的速度。
1.改良材质
在实际连铸中，可根据Al2O3 -C浸入式水口的局部熔损中熔渣-金属界面的上升期比下降期显著短这一特征，认为抑制局部熔损最好是使熔渣-金属界面的上升期消失，下降期长的观点进行水口材质改良。这方面最有说服力的例子是向井楠宏等人将同熔渣黏附性比石墨更好的BN加到Al2O3 - C浸入式水口材质中，结果实现了上升期基本消失，局部熔损部位的水口材质表面经常被熔渣覆盖, 从而隔断了水口材质中的石墨同金属的直接接触，抑制了Al2O3 -C浸入式水口的局部溶损。
2.提高耐火材料中低熔解成分的比例
早已了解，MgO-Cr2O3耐火材料对低碱度渣具有良好的抗侵蚀性，因而被广泛用于VOD、RH等钢水精炼炉中以及作为熔融还原炉应用的耐火材料的重要候补材料。在这些场合中，随着MgO - Cr2O3耐火材料中Cr2O3含量的增加局部熔损深度减轻的事实，通过提高配料中Cr2O3含量便能降低局部熔损量，提高使用寿命。
3.开发新材质
仍以连铸用浸入式水口为例，考虑到ZrO2向熔渣中的熔解速度低，而且ZrO2还可变成微粒悬浮于渣膜中，可提高渣膜表观黏度，抑制渣膜运动，结果使下降期的水口材料产生氧化物熔解的速度降低以及使整体的局部熔损被有效地抑制，从而开发出ZrO2 - C浸入式水口代替Al2O3-C浸入式水口，而使局部熔损得到了有效控制。
4.进行熔渣控制
吉富丈纪等人认为，对于像高炉出铁槽内衬在熔渣-铁水界面发生的显著局部熔损，可以从抑制渣膜运动出发，采用如下措施来控制：
(1) 在渣膜运动中使碳悬浮。当金属中的碳浓度接近饱和区域中碳的浓度时，随着碳浓度的提高，局部熔损显著减少，因而认为可以通过增碳操作来抑制局部熔损。
(2) 向熔渣中加入溶解度低而且具有高熔点的氧化物或产生像 ZrO2那种溶解度低的物相(例如ZrO2)。也就是说，通过对熔渣进行控制可有效地抑制耐火材料的局部熔损。
5.改变内衬设计
对于发生在不同种类耐火材料边界上的显著熔损主要是设立隔离带。例如，钢包内衬MgO - C衬砖和高铝衬砖之间使用MgO - Cr2O3砖（镁铬砖）时就不发生局部熔损;也可以通过改变异种耐火材料接缝的位置来控制不同种类耐火材料边界上发生显著局部熔损的问题。
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