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精煉爐浸漬管用剛玉尖晶石澆注料的蝕損機理：熔渣及鋼液通過澆注料表面缺陷陷入其內部，與澆注料發生反應生成低熔點化合物：爐溫頻繁的波動，導致澆注料的內部應力過大，使其產生裂紋：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構，內部用電熔再結合鎂鉻磚砌筑，外部用剛玉尖晶石質澆注料整體澆注，鋼結構的外壁焊有V型錨固件，縱橫交錯排列，以強化澆注料與鋼結構之間的連接。浸漬管用澆注料一般以板狀剛玉為骨料，以剛玉細粉、活性α-Al2O3微粉、鎂鋁尖晶石粉、鎂砂為基質，使用純鋁酸鈣水泥作結合劑，并添加適量的不銹鋼纖維。 實驗 取上述浸漬管的澆注料用后殘樣，制成規格為40mm×40mm×160mm的樣塊，采用GB/T2997-2000（2004）測定試樣的體積密度和顯氣孔率；采用GB/T5072-2008檢測試樣的強度。
結果與討論 澆注料顯微結構分析可大致將澆注料用后殘樣分為渣層、變質層和原質層。渣層，呈深灰色，該區域內有許多孔洞和裂紋，厚度為2~3mm；中間為變質層，呈淺灰色，也有孔洞和裂紋存在，厚度約1mm；左側為原質層，呈灰黑色。澆注料渣層推斷其為低熔點的鈣鋁黃長石（C2AS）或鈣長石（CAS2）類熔渣物質。 鎂鋁尖晶石呈不規則島狀分布于熔渣中，其來源有兩個途徑：一是澆注料內的尖晶石被渣侵蝕熔出；二是Al2O3與MgO反應形成。精煉過程中加入鋁丸脫氧，使熔渣中的Al2O3含量增加，另外，澆注料中有部分Al2O3溶出，對浸漬管進行在線噴補時帶入大量MgO，二者反應析出了鎂鋁尖晶石。鈣鋁黃長石（1590℃）和鈣長石（1550℃）為低熔點化合物，使熔渣的黏度降低，對澆注料危害較大。另外，渣中的CaO、Al2O3易反應生成CaO·6Al2O3和CaO·2Al2O3，以及一系列低熔點化合物，如CaO·Al2O3（1650℃）、3CaO·Al2O3（1530℃）、12CaO·7Al2O3（1423℃）， 變質層通過計算推算變質層中主要的物相為FeO·Al2O3鎂鋁尖晶石以及單質鐵和鐵的氧化物。渣中富含的FeO易與Al2O3反應生成FeO·Al2O3，反應見公式為。FeO·Al2O3（1780℃）、鎂鋁尖晶石（2103℃）的熔點較高，使熔渣粘度增大，附著在浸漬管表面形成掛渣，可對澆注料形成保護，免受熔渣的侵蝕。但隨著生產的進行，掛渣會不斷增厚，使浸漬管長大變粗，最終影響生產，所以需要定時清渣。FeO+Al2O3=FeO·Al2O3 點四的Fe元素含量較高，推測其主要組成為單質鐵，同時含有鐵的氧化物及少量Al2O3、MgO等。 原質層中主要的物相為剛玉、鎂鋁尖晶石和六鋁酸鈣。鎂鋁尖晶石呈細粒狀均勻的嵌布于基質中，形成近似于玻璃陶瓷結構，而且大量填充于剛玉顆粒之間，同時在剛玉顆粒邊緣形成鎂鋁尖晶石反應環。原質層中的鎂鋁尖晶石一部分為配料時加入，另一部分為Al2O3與MgO反應生成。MgO與Al2O3在1000℃發生反應生成鎂鋁尖晶石，見公式（1）。該反應產生約8%的體積膨脹，補償了燒結帶來的收縮，體積膨脹同時使澆注料中產生微裂紋，可緩沖熱應力，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： （1）熔渣的侵蝕劑鋼液的沖刷 熔渣的危害主要表現在對澆注料的侵蝕與滲透上。高溫液態熔渣及鋼液通過氣孔和裂紋等通道滲入澆注料的內部。渣中的CaO、SiO2和FeO等與澆注料主成分反應生成FeO·Al2O3和C2AS、CAS2、CaO、Al2O3、3CaO·Al2O3、12CaO、7Al2O3等一系列低熔點化合物，對澆注料造成消耗，使其工作面高溫強度降低。在鋼液、熔渣以及C2AS等低熔點化合物的共同沖刷作用下，澆注料損毀并熔出。 另外，熔渣與澆注料產生一些反應伴有固相膨脹效應，是造成澆注料工作面出現裂紋的原因之一。在殘余澆注料的渣層和變質層中觀察到裂紋，這兩個區域都有生成鎂鋁尖晶石的反應發生，該反應伴隨約8%的體積膨脹。 （2）溫度波動造成熱剝落和結構剝落 熱剝落是耐火材料在使用過程中，由于爐溫周期性地急劇變化而引起的工作面剝落。精煉爐的生產特點為間歇式工作，處理鋼液時的溫度一般在1600~1700℃之間，處理時間為20~40min，在兩爐之間的待機時間，浸漬管的溫度驟降至1000℃左右。在整個精煉過程中，爐溫大幅度的頻繁變化，必然在澆注料內部產生熱應力，當其大于當前溫度下澆注料所能承受的極限強度時，就會使澆注料產生裂紋。隨著裂紋的不斷增加和擴展，澆注料的工作面出現開裂，進而發生剝落。 (3) 澆注料的材質 配合不合理，導致澆注料內部結構產生缺陷，造成基質和骨料之間的膨脹和收縮不能互補，從而造成開裂。 以鎂砂為例，原料中的鎂砂細粉易水化形成水鎂石，產生較大的體積膨脹，其水化最敏感的溫度在60~80℃。其次作為結合劑配入原料中的鋁酸鈣水泥，易與水鎂石反應，生成MgAl2（OH）14·3H2O，也會產生體積膨脹，而且消耗了水鎂石，加速了鎂砂的水化。澆注成型時加入的水在100℃時沸騰，急劇出，使澆注料內外產生氣壓差。以上幾點導致在烘烤過程中澆注料表面產生縱向裂紋。在高溫下鎂砂與氧化鋁生成尖晶石的反應，也產生膨脹效應。如果原料中加入的鎂砂過量，會使澆注料在烘烤以及高溫工作時產生裂紋。 機械力 采取維護修補措施 可實時監控浸漬管侵蝕情況，在精煉爐生產的間隙，對浸漬管的耐火材料進行噴補維護，形成保護層避免耐材與熔渣直接接觸。為獲得致密的噴補料層，要求噴補料中的水分不能過高，而且其流動性要好。 結論 （1）高溫液態熔渣及鋼液通過澆注料工作面的氣孔、裂紋和晶界等通道滲入到澆注料內部；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，生成低熔點化合物，使澆注料熔損，并形成一定厚度的變質層。 （2）由于精煉爐間歇式的生產特點，爐溫頻繁的大幅度波動，在澆注料內部產生應力，并且由于變質層與原質層之間熱膨脹性能的差異，導致變質層內部、變質層與原質層之間產生裂紋；在高速循環流動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、浸漬管的制造工藝、精煉爐生產工藝和維護修補4個方面采取措施提高了浸漬管的使用壽命。 |
