帘线钢用刚玉-尖晶石质中间包挡渣墙损毁机理研究
发布日期： 2020-04-06 11:01:18 阅读量（466） 作者：张红本文主要是对帘线钢用中间包挡渣墙下线后取样进行损毁机理分析。图1是武钢CSP帘线钢用中间包挡渣墙使用前和使用12炉坍塌后的残样宏观照片的对比。从图1可以看出，使用后的挡渣墙表面凹凸不平，粘附着一层褐色的渣，与翻包时所取到的中间包冲击区内的渣颜色一致，尤其顶部渣线部位被严重侵蚀，由于受到钢水的长期冲刷，渣线部位墙体变薄，熔渣的侵蚀深度较深，基本分不清楚原砖层和过渡层。同时从墙的侧面看，墙内裂纹较多，有少量的钢渗进，而且墙体呈现蓝黑色，试样变得较脆，这主要是因为熔渣与墙体材料在高温下发生化学反应，生成大量液相造成的。通过宏观照片的观察，挡渣墙使用过后渣线部位的损毁最为严重，将渣线部位分层切割取样进行系统的损毁机理分析。
图1 挡渣墙使用前与使用后渣线部位的对比
1、用后挡渣墙样品的制备
(1)切样
选取图1中渣线部位的残样来研究，由于损毁较为严重，切割下来的样品只有挂渣层、反应层和渗透层，不能分辨出原砖层。
(2)制样
将武钢取回的帘线钢渣研磨成200目细粉通过化学分析和XRD分析其化学组成和物相组成。将用后挡渣墙渣线部位按照反应层和过渡层进行切割分层，然后破碎，研磨成200目细粉，通过XRD分析确定每一层的矿物组成，由于不能分离出原砖层，因此将实验室浇注的样品作为原砖层进行破碎研磨并进行XRD物相分析，并与用后挡渣墙进行对比。将切割下来带有挂渣层、反应层以及过渡层的试样，选取一个观察面在砂轮上磨平，烘干后渗胶，渗胶后将多余的胶切掉留出观察面，先在砂轮上进行粗磨，然后在毛玻璃上分别使用粒度为1-200目、1-10μmBC和0.5μmSiC磨料进行细磨。将磨好的样品放在超声波清洗机中充分清洗。清洗干净后放进玻璃器皿在烘箱内充分烘干，以备做扫描电镜前进行喷金处理。
2、微观分析
本实验主要是从渣和挡渣墙的相互作用来确定挡渣墙的损毁机理。
2.1渣的化学成分分析及物相组成
帘线钢中间包渣的化学组成如表1所示，渣的物相组成如图2所示。中间包的使用温度为1500℃~1600℃，通过Factsage6.4中的Viscosity模块模拟出在该使用温度范围内渣的粘度范围为0.265~0.157Pa·s，说明中间包内的熔渣的粘度随着中间包内温度升高而变小。
表1渣的化学组成(wt%)
图2渣的XRD衍射分析
从表1可以看出帘线钢渣C/S=1，渣的碱度基本呈中性，因此渣的性质决定了帘线钢用中间包挡渣墙采用刚玉-尖晶石中性体系较为合适。图2表明渣的主要矿物组成为钙镁黄长石，其他物相含量较低并没有在XRD衍射图谱上显示出来。
2.2挡渣墙使用前后物相分析
从挡渣墙的宏观照片可以看出，冲击区的渣线部位侵蚀最为严重，很难分辨出原砖层，为了更好的对比使用后渣线部位的侵蚀情况，然后将实验室浇注的试样经1550℃保温3h后进行XRD物相分析作为其原砖层，图3给出了挡渣墙使用后渣线部位各层XRD衍射分析结果。
图3渣线部位各层XRD分析
从图3中可以看出，用后挡渣墙渣线部位原砖层主要是刚玉相和镁铝尖晶石相;反应层的刚玉相和镁铝尖晶石相强度较低，出现了石英相、硅铁化合物、铝硅系化合物以及铁钛化合物等物相，由于反应层材料与渣的反应比较剧烈，渣中的SiO2、CaO、Fe2O3等物质高温下与材料中的Al2O3发生反应生成了大量的杂质相，从而大量消耗了材料本身的Al2O3等物质。而过渡层相对反应层来说刚玉相和镁铝尖晶石相衍射峰的强度更强，尖晶石衍射峰的强度甚至比原砖层峰的强度还要强。这是因为渣经过反应层消耗后，渣的粘度变大，渗透能力下降，因此过渡层渣的渗透变少，过渡层杂质相相对减少，同时渣中的MgO与材料中Al2O3反应生成尖晶石导致过渡层尖晶石相变多。
2.3中间包挡渣墙渣线部位显微结构分析
(1)渣线部位整体表面形貌
图4给出了中间包挡渣墙渣线部位整体形貌的二次电子照片。
图4渣线部位反应层不同放大倍数二次电子照片
从图4中可以看出渣线部位试样表面凹凸不平，出现较大裂纹，气孔较多且出现很多网状结构，经局部放大后发现在粒径不到10μm的尖晶石周围出现网状结构，主要呈错综复杂的铝硅系化合物片状排列，铝硅系低熔物晶型发育较完整。
(2)挡渣墙渣线部位背散射显微结构分析
图5给出了渣线部位反应层背散射照片。
图5反应层不同放大倍数的背散射照片
(a)反应层全貌30×，(b)骨料100×，(c)基质100×
图5显示了挡渣墙渣线部位挂渣层和反应层中骨料和基质渣侵蚀后显微结构。挂渣层结构较为疏松，出现两条较大裂纹，同时气孔较多，反应层中，矾土颗粒被熔渣侵蚀严重，一部分矾土骨料被熔损，并从矾土骨料上脱落下来，由EDS123骨料基质全貌挂渣层能谱分析可知渣中的MgO与矾土发生反应生成镁铝尖晶石散落在矾土周围，而基质部分与熔渣发生化学反应被严重侵蚀，生成大量的液相。表2是图5各点对应的EDS能谱分析，点1是主要是渣渗透到基质中所形成的连片的液相;点2是渣中MgO与矾土反应形成的镁铝尖晶石;点3是骨料中夹杂的杂质，由此可以断定被侵蚀的骨料为矾土骨料。
表2图5中各区域的能谱分析
图6是渣线部位过渡区域背散射照片，图6中点对应的EDS能谱如表3。
图6过渡层背散射照片
表3图6中各区域的能谱分析
从图6可以看出，该区域表面不平，有较大的裂纹，气孔也较多，在刚玉颗粒周围出现网状结构，类似于“篱笆”的形状，同时骨料边缘被熔渣侵蚀而熔损。能谱分析表明：1点是镁铝尖晶石与渣反应发生化学侵蚀，尖晶石与渣反应形成点2，主要是钙铝黄长石和少量从尖晶石颗粒上脱落的镁铝尖晶石相;点3是渣侵蚀刚玉颗粒形成的钙铝黄长石相和少量的钙钛矿相;点4能谱结果表明，渣通过基质及裂纹渗透到刚玉表面，与之发生反应侵蚀掉部分颗粒，最后形成以钙铝黄长石相为主以及少量的钠长石低熔点物相为辅，呈网状结构分布排列的液相区域。
中间包用挡渣墙渣线部位由于长期受到熔渣的侵蚀和钢水的冲刷，导致挡渣墙墙体内存在大量液相使材料过烧结从而颜色变得较深，结构较脆，出现大量的裂纹，强度下降。在1500℃~1600℃高温下使用，挡渣墙中的骨料和基质被熔渣严重侵蚀，形成钙铝黄长石，以及钠长石、钙长石等低熔点物质，这些生成的低熔点物质由于受到钢水反复冲刷，产生持续的热冲击而剥落，随之使耐火材料产生结构剥落，有的甚至出现大裂缝最终导致坍塌。
3、结论
综上所述，武钢帘线钢冶炼目前所使用的中间包挡渣墙主要存在的问题可以归纳为以下几个方面：
(1)武钢目前所使用的挡渣墙显气孔率较高，常温强度较低，且高温热处理后永久线变化较大，这些缺陷对高温使用性能和抗渣侵蚀渗透性能产生了不利的影响，也是挡渣墙损毁的原因之一。
(2)熔渣的化学分析和XRD可知：渣的C/S大致为1，呈中性，经Factsage软件计算渣在1500℃时粘度为0.265Pa·s。
(3)渣线部位分层XRD分析可知：由于受到钢水和熔渣的侵蚀，反应层刚玉相和镁铝尖晶石相减少，同时出现大量的钙铝硅系低熔点相，以及硅铁和钛铁化合物;过渡层主要受到渣渗透的影响，熔渣和钢水渗透到该层，与之反应生成的液相普遍存在材料的基质中。
(4)挡渣墙冲击区的渣线部位显微结构分析可知，渣线部位由于长时间在高温下受到渣的化学侵蚀，熔渣的化学侵蚀是此部位损毁的主要原因。同时，从显微结构分析来看，挡渣墙材料体系中矾土骨料被侵蚀较为严重，以至于部分矾土与熔渣反应后从颗粒基体上脱落。
从挡渣墙的常规性能检测和损毁分析可知，本文主要应该从材料结构优化、原材料的选择、结合体系的选择和添加物的选择等方面去研究改进，从而提高挡渣墙的高温使用性能和抗渣性能，从而避免在使用过程中剥落，甚至坍塌，造成损失，从而达到延长使用寿命的目的。
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