- 企业
- 供应
- 求购
- 资讯
张玲 尹坤宝 韩明洁 高慧楠
辽宁科技大学高温材料与镁资源工程学院
【摘要】本文采用电熔镁砂骨料、镁钙砂骨料、镁砂细粉、鳞片状石墨等,经过称量、混合、成型、热处理等工序,制备了镁碳砖和镁钙碳砖。采用静态坩埚法进行抗渣性试验,取渣与砖接触的坩埚底部制成光片,用扫描电镜配合能谱进行观察分析。结果表明:镁钙碳砖对于高钛炉渣表现出较好的抗渣侵蚀性能,其主要原因是镁钙碳砖中的CaO与炉渣中的TiO2作用,生成了高熔点的钛酸钙,形成致密保护层,阻止了炉渣的进一步渗透,同时保护了碳不被氧化,提高了其抵抗高钛炉渣侵蚀的能力。
镁碳砖作为碱性炼钢的炉衬材料,曾经为钢包和转炉的使用寿命提高做出过巨大贡献。但是对于高钛炉渣,其抗侵蚀性表现出了局限性。本研究发现镁钙碳砖对于高钛炉渣表现出较好的抗渣侵蚀性能。
1试验
采用电熔镁砂骨料、镁钙砂骨料、镁砂细粉、鳞片状石墨和防氧化剂金属铝粉为原料,经过称量、混合、成型、热处理等工序,制备了镁碳砖和镁钙碳砖。其理化指标见表1。
表1 试验砖的理化指标
项目 |
化学成分/w/% |
体积密度 /(g·cm-3) |
显气孔率/% |
常温耐压强度/MPa |
|||||
MgO |
CaO |
SiO2 |
Fe2O3 |
Al2O3 |
C |
||||
镁碳砖 |
79.94 |
0.98 |
0.74 |
0.76 |
5.77 |
13.96 |
3.40 |
2.94 |
25 |
镁钙碳砖 |
67.68 |
19.5 |
0.96 |
0.73 |
0.55 |
7.04 |
2.90 |
2.6 |
52 |
采用静态坩埚法进行抗渣性试验。根据GB/T 7321确定试样制取部位,将试样制成85 mm×85 mm×75 mm的长方体,沿试样成型方向,在试样顶面的中心,钻取内径40 mm,深度35mm±2.0mm的坩埚,将坩埚的内壁和底部磨平。试样于110℃干燥2h后,装入60g炉渣填满坩埚(炉渣化学成分见表2),为了防止加热过程中炉渣熔化从坩埚中飞溅出来,将每块砖上盖上砖盖。将装好渣的坩埚试样逐个装入炉膛,为了使同一种试样受热均匀,每个试样制备两个坩埚,并错位放置于炉膛内,每个试样之间距离约为2mm,并将电炉加热至1550℃下,保存3h。
表2 炉渣的化学成分/%
TiO2 |
FeO |
SiO2 |
CaO |
MgO |
23~36 |
0.77~1.29 |
19~25 |
﹤3.5 |
18~32 |
保温结束后,待试样随炉自然冷却至室温,沿坩埚的轴线方向对称切开,观察和比较其截面,判断熔渣熔损和渗透的情况。取渣与砖接触的坩埚底部制成光片,用扫描电镜配合能谱观察分析。
2 结果与分析
2.1 镁碳砖和镁钙碳砖抗高钛炉渣的侵蚀性
图1为镁碳砖和镁钙碳砖渣侵后纵剖面照片。可以看出,在残余炉渣与坩埚底部的接触处,可以观察到平行于坩埚底部的位于炉渣与原砖之间的裂缝,表明镁碳砖中的碳被氧化后造成的结构疏松;而在镁钙碳砖试样的坩埚底部却没有观察到这种现象,炉渣剩余较多,渣与砖试样的接触紧密。
图1 渣侵后试验砖纵剖面照片
图2为渣侵后试样的SEM照片。由图2(a)可见镁碳砖结构疏松,黑色部分(A点处)为骨料脱落留下的孔洞,说明脱碳层很厚,为3.49 mm;而镁钙碳砖试样未见明显的骨料脱落现象,只在与炉渣接触处有少量的气孔,脱碳层为1.86 mm,见图2(b)。可见镁钙碳砖与镁碳砖相比脱碳层薄。
图2 渣侵后试样的SEM照片
进一步将镁钙碳砖试样放大观察发现,在其内部存在一层致密的反应层,见图3中白色部分,能谱分析表明,该部分主要为1点、2点和3点的组成。
图3中1点能谱见图4,其主要成分为CaO和TiO2,可能为钛酸钙。
2.2 镁钙碳砖抗高钛炉渣的侵蚀机制分析
在1550℃渣侵条件下,镁钙碳砖中的3个主要组分:MgO、CaO和C与炉渣中的TiO2发生如下反应:
CaO + TiO2 = CaO·TiO2 , (1)
3CaO + 2TiO2 = 3CaO·2TiO2 , (2)
4CaO + 3TiO2 = 4CaO·3TiO2 , (3)
3CaO + 2TiO2 = Ca3Ti2O7 。 (4)
根据资料并用HSCchemsitry软件作图:其△G与温度之间的关系见图7。
MgO + TiO2 = MgTiO3 (5)
MgO + 2TiO2 = MgTi2O5 (6)
2MgO + TiO2 = Mg2TiO4 (7)
其△G与温度(T)之间的关系见图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与温度(T)之间的关系见图9。
图9 C与TiO2反应的其△G—T关系图
从这三组反应式可以分析,在1550℃下,式(2、8-11)不反应;式(5-7)的△G均高于反应式(1、3、4)。△G最小值为反应式(3),其次为反应(4),再次是反应(1)。即CaO和TiO2反应生成钛酸钙。所以图3中新生成的矿物相最多的即为钛酸钙;从能谱吸收的成分分析(见表3),CaO和TiO2的比例大约也在反应式(3)的结果4:3。其次有少量灰色的2点矿物,含钙镁硅的硅酸盐相,见图5。
表3 图3中1点的能谱成分
元素 |
重量/% |
原子/% |
化合物/% |
化学式 |
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 |
|
|
总量 |
100.00 |
|
|
|
4CaO·3TiO2为不稳定化合物,1755℃发生转熔反应:
4CaO·3TiO2 =L+CaO·TiO2 (12)
钛酸钙(CaO·TiO2)熔点高达1915℃,高熔点相的出现,在炉渣中则会提高黏度,减缓熔渣向耐火材料中的渗透,从而提高抗渣性;同时钛酸钙的形成在耐火材料的外部形成致密保护层,阻止熔渣的进一步侵入,同时保护镁钙碳砖内部的碳不被继续氧化,砖的内部就不会由于脱碳造成组织劣化,提高了耐火材料的抗冲刷性能;不仅如此,该致密层厚度很薄(见图3),不会造成结构剥落,因此,钛酸钙的形成提高了抗渣性,能够延长镁钙碳砖的使用寿命。
3结论
与镁碳砖相比,镁钙碳砖具有更优越的抵抗高钛炉渣侵蚀的能力,主要原因是镁钙碳砖中的CaO与炉渣中的TiO2作用,生成了高熔点的钛酸钙,形成致密保护层,阻止了炉渣的进一步渗透,同时保护了碳不被氧化,提高了其抵抗高钛炉渣的侵蚀能力。
评论区