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精煉爐浸漬管用剛玉尖晶石澆注料的蝕損機(jī)理：熔渣及鋼液通過(guò)澆注料表面缺陷陷入其內(nèi)部，與澆注料發(fā)生反應(yīng)生成低熔點(diǎn)化合物：爐溫頻繁的波動(dòng)，導(dǎo)致澆注料的內(nèi)部應(yīng)力過(guò)大，使其產(chǎn)生裂紋：在鋼液及熔渣的沖刷作用下，造成澆注料剝落。 浸漬管的主體為鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)部用電熔再結(jié)合鎂鉻磚砌筑，外部用剛玉尖晶石質(zhì)澆注料整體澆注，鋼結(jié)構(gòu)的外壁焊有V型錨固件，縱橫交錯(cuò)排列，以強(qiáng)化澆注料與鋼結(jié)構(gòu)之間的連接。浸漬管用澆注料一般以板狀剛玉為骨料，以剛玉細(xì)粉、活性α-Al2O3微粉、鎂鋁尖晶石粉、鎂砂為基質(zhì)，使用純鋁酸鈣水泥作結(jié)合劑，并添加適量的不銹鋼纖維。 實(shí)驗(yàn) 取上述浸漬管的澆注料用后殘樣，制成規(guī)格為40mm×40mm×160mm的樣塊，采用GB/T2997-2000（2004）測(cè)定試樣的體積密度和顯氣孔率；采用GB/T5072-2008檢測(cè)試樣的強(qiáng)度。
結(jié)果與討論 澆注料顯微結(jié)構(gòu)分析可大致將澆注料用后殘樣分為渣層、變質(zhì)層和原質(zhì)層。渣層，呈深灰色，該區(qū)域內(nèi)有許多孔洞和裂紋，厚度為2~3mm；中間為變質(zhì)層，呈淺灰色，也有孔洞和裂紋存在，厚度約1mm；左側(cè)為原質(zhì)層，呈灰黑色。澆注料渣層推斷其為低熔點(diǎn)的鈣鋁黃長(zhǎng)石（C2AS）或鈣長(zhǎng)石（CAS2）類熔渣物質(zhì)。 鎂鋁尖晶石呈不規(guī)則島狀分布于熔渣中，其來(lái)源有兩個(gè)途徑：一是澆注料內(nèi)的尖晶石被渣侵蝕熔出；二是Al2O3與MgO反應(yīng)形成。精煉過(guò)程中加入鋁丸脫氧，使熔渣中的Al2O3含量增加，另外，澆注料中有部分Al2O3溶出，對(duì)浸漬管進(jìn)行在線噴補(bǔ)時(shí)帶入大量MgO，二者反應(yīng)析出了鎂鋁尖晶石。鈣鋁黃長(zhǎng)石（1590℃）和鈣長(zhǎng)石（1550℃）為低熔點(diǎn)化合物，使熔渣的黏度降低，對(duì)澆注料危害較大。另外，渣中的CaO、Al2O3易反應(yīng)生成CaO·6Al2O3和CaO·2Al2O3，以及一系列低熔點(diǎn)化合物，如CaO·Al2O3（1650℃）、3CaO·Al2O3（1530℃）、12CaO·7Al2O3（1423℃）， 變質(zhì)層通過(guò)計(jì)算推算變質(zhì)層中主要的物相為FeO·Al2O3鎂鋁尖晶石以及單質(zhì)鐵和鐵的氧化物。渣中富含的FeO易與Al2O3反應(yīng)生成FeO·Al2O3，反應(yīng)見(jiàn)公式為。FeO·Al2O3（1780℃）、鎂鋁尖晶石（2103℃）的熔點(diǎn)較高，使熔渣粘度增大，附著在浸漬管表面形成掛渣，可對(duì)澆注料形成保護(hù)，免受熔渣的侵蝕。但隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，掛渣會(huì)不斷增厚，使浸漬管長(zhǎng)大變粗，最終影響生產(chǎn)，所以需要定時(shí)清渣。FeO+Al2O3=FeO·Al2O3 點(diǎn)四的Fe元素含量較高，推測(cè)其主要組成為單質(zhì)鐵，同時(shí)含有鐵的氧化物及少量Al2O3、MgO等。 原質(zhì)層中主要的物相為剛玉、鎂鋁尖晶石和六鋁酸鈣。鎂鋁尖晶石呈細(xì)粒狀均勻的嵌布于基質(zhì)中，形成近似于玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)，而且大量填充于剛玉顆粒之間，同時(shí)在剛玉顆粒邊緣形成鎂鋁尖晶石反應(yīng)環(huán)。原質(zhì)層中的鎂鋁尖晶石一部分為配料時(shí)加入，另一部分為Al2O3與MgO反應(yīng)生成。MgO與Al2O3在1000℃發(fā)生反應(yīng)生成鎂鋁尖晶石，見(jiàn)公式（1）。該反應(yīng)產(chǎn)生約8%的體積膨脹，補(bǔ)償了燒結(jié)帶來(lái)的收縮，體積膨脹同時(shí)使?jié)沧⒘现挟a(chǎn)生微裂紋，可緩沖熱應(yīng)力，從而改善材料的抗熱震性能。理論上在原料中配入5.5%的MgO，相當(dāng)于配入了22%的尖晶石，而且在澆注料中原位形成尖晶石，其性能直接加入尖晶石的澆注料。 綜上所述，造成浸漬管澆注料損毀的原因主要有以下幾點(diǎn)： （1）熔渣的侵蝕劑鋼液的沖刷 熔渣的危害主要表現(xiàn)在對(duì)澆注料的侵蝕與滲透上。高溫液態(tài)熔渣及鋼液通過(guò)氣孔和裂紋等通道滲入澆注料的內(nèi)部。渣中的CaO、SiO2和FeO等與澆注料主成分反應(yīng)生成FeO·Al2O3和C2AS、CAS2、CaO、Al2O3、3CaO·Al2O3、12CaO、7Al2O3等一系列低熔點(diǎn)化合物，對(duì)澆注料造成消耗，使其工作面高溫強(qiáng)度降低。在鋼液、熔渣以及C2AS等低熔點(diǎn)化合物的共同沖刷作用下，澆注料損毀并熔出。 另外，熔渣與澆注料產(chǎn)生一些反應(yīng)伴有固相膨脹效應(yīng)，是造成澆注料工作面出現(xiàn)裂紋的原因之一。在殘余澆注料的渣層和變質(zhì)層中觀察到裂紋，這兩個(gè)區(qū)域都有生成鎂鋁尖晶石的反應(yīng)發(fā)生，該反應(yīng)伴隨約8%的體積膨脹。 （2）溫度波動(dòng)造成熱剝落和結(jié)構(gòu)剝落 熱剝落是耐火材料在使用過(guò)程中，由于爐溫周期性地急劇變化而引起的工作面剝落。精煉爐的生產(chǎn)特點(diǎn)為間歇式工作，處理鋼液時(shí)的溫度一般在1600~1700℃之間，處理時(shí)間為20~40min，在兩爐之間的待機(jī)時(shí)間，浸漬管的溫度驟降至1000℃左右。在整個(gè)精煉過(guò)程中，爐溫大幅度的頻繁變化，必然在澆注料內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)其大于當(dāng)前溫度下澆注料所能承受的極限強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)使?jié)沧⒘袭a(chǎn)生裂紋。隨著裂紋的不斷增加和擴(kuò)展，澆注料的工作面出現(xiàn)開(kāi)裂，進(jìn)而發(fā)生剝落。 (3) 澆注料的材質(zhì) 配合不合理，導(dǎo)致澆注料內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷，造成基質(zhì)和骨料之間的膨脹和收縮不能互補(bǔ)，從而造成開(kāi)裂。 以鎂砂為例，原料中的鎂砂細(xì)粉易水化形成水鎂石，產(chǎn)生較大的體積膨脹，其水化最敏感的溫度在60~80℃。其次作為結(jié)合劑配入原料中的鋁酸鈣水泥，易與水鎂石反應(yīng)，生成MgAl2（OH）14·3H2O，也會(huì)產(chǎn)生體積膨脹，而且消耗了水鎂石，加速了鎂砂的水化。澆注成型時(shí)加入的水在100℃時(shí)沸騰，急劇出，使?jié)沧⒘蟽?nèi)外產(chǎn)生氣壓差。以上幾點(diǎn)導(dǎo)致在烘烤過(guò)程中澆注料表面產(chǎn)生縱向裂紋。在高溫下鎂砂與氧化鋁生成尖晶石的反應(yīng)，也產(chǎn)生膨脹效應(yīng)。如果原料中加入的鎂砂過(guò)量，會(huì)使?jié)沧⒘显诤婵疽约案邷毓ぷ鲿r(shí)產(chǎn)生裂紋。 機(jī)械力 采取維護(hù)修補(bǔ)措施 可實(shí)時(shí)監(jiān)控浸漬管侵蝕情況，在精煉爐生產(chǎn)的間隙，對(duì)浸漬管的耐火材料進(jìn)行噴補(bǔ)維護(hù)，形成保護(hù)層避免耐材與熔渣直接接觸。為獲得致密的噴補(bǔ)料層，要求噴補(bǔ)料中的水分不能過(guò)高，而且其流動(dòng)性要好。 結(jié)論 （1）高溫液態(tài)熔渣及鋼液通過(guò)澆注料工作面的氣孔、裂紋和晶界等通道滲入到澆注料內(nèi)部；熔渣中的CaO、SiO2、Al2O3和鐵的氧化物等主要成分與澆注料中的主要成分反應(yīng)，生成低熔點(diǎn)化合物，使?jié)沧⒘先蹞p，并形成一定厚度的變質(zhì)層。 （2）由于精煉爐間歇式的生產(chǎn)特點(diǎn)，爐溫頻繁的大幅度波動(dòng)，在澆注料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，并且由于變質(zhì)層與原質(zhì)層之間熱膨脹性能的差異，導(dǎo)致變質(zhì)層內(nèi)部、變質(zhì)層與原質(zhì)層之間產(chǎn)生裂紋；在高速循環(huán)流動(dòng)的鋼液及熔渣的沖刷作用下，造成耐火材料剝落。 （3）從耐火材料的材質(zhì)、浸漬管的制造工藝、精煉爐生產(chǎn)工藝和維護(hù)修補(bǔ)4個(gè)方面采取措施提高了浸漬管的使用壽命。 |
