不同碳含量镁碳砖与熔渣间的润湿和侵蚀行为研究_于河.pdf

收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（、）作者简介：于 河（），硕士 副教授；通讯作者：张媛媛，博士；不同碳含量镁碳砖与熔渣间的润湿和侵蚀行为研究于 河 高 源 刘吉辉 张媛媛 杨 鑫 何志军（.辽宁对外经贸学院，.辽宁科技大学材料与冶金学院）摘 要 文章通过高温润湿实验研究了不同碳含量的镁碳砖与四元熔渣的润湿和侵蚀行为。由高温润湿实验可知，随着镁碳砖中碳含量的降低，熔渣与 耐火材料间的接触角逐渐减小，在相同温度下熔渣与含碳量高的镁碳砖的接触角更大，在润湿反应结束后，只有碳含量为 的镁碳砖与熔渣的接触角仍大于；随着镁碳砖中碳含量的增加，炉渣向耐火材料内部的渗透深度也逐渐减小，由.（）降低至.（）。镁碳砖中的碳含量的降低，可为熔渣的扩散、溶解和渗透等界面反应提供动力学条件，最终致使熔渣对镁碳砖的侵蚀更为严重。关键字 减碳绿色发展 耐火材料 碳含量 润湿 侵蚀文献标识码：文章编号：（）（.，.），；，.（）.（），伴随工业全球化的不断深入，全球气候变化已经严重的威胁全人类的可持续发展，减排温室气体已成为世界共识。中国钢铁行业 排放量占全国排放总量的 左右，面对“碳达峰、碳中和”任务的时代诉求，以钢铁行业为.冶 金 能 源 代表的重工业面临着巨大挑战。在转炉炼钢生产过程中，耐火材料的炉衬受高温钢水的物理冲刷以及炉渣的化学侵蚀等作用，不仅服役寿命逐渐下降，而且侵蚀剥落的耐火材料极易进入钢液成为大颗粒夹杂物（），严重影响钢的洁净度。近年来科研工作者主要集中从碳源、抗氧剂、结合剂等角度入手，基于纳米结构基质构筑机制、纳米碳源协同强化机制以及原位陶瓷相化机制开发研制新型低碳复合功能材料。然而这些新型低碳复合 功能材料各自存在着制备成本高、纳米碳源易团聚以及高温力学性能不稳定等缺陷，并没有被广泛应用于工业生产中。耐火材料中的碳含量较高，因此炼钢流程主要围绕降低耐火材料的碳含量来实现绿色低碳技术。然而大幅降低 耐火材料的碳含量，造成材料的抗热震性和抗渣侵蚀性恶化，使耐火材料在服役过程中使用性能和寿命降低，反而增加了冶炼成本和能耗。因此，通过小幅降低 耐火材料的含碳量满足炼钢生产要求。但是低碳 材料与熔渣的润湿和侵蚀行为的研究甚少，这是保证炼钢稳定顺行和高品质钢冶炼的关键。熔渣与耐火材料间的侵蚀行为与其两相间的润湿性密切相关。通常可以通过测定两相间的接触角估计耐火材料的抗侵蚀性能。因此，通过高温润湿实验研究了不同含碳量的 耐火材料与四元熔渣之间的润湿和侵蚀行为，以明确熔渣对低碳 材料的侵蚀机制，为炼钢冶炼生产提供一定的理论指导。高温润湿实验.实验原料结合现场实际熔渣成分，采用 的化学分析纯试剂配制实验渣样。同时为保证渣样各组分的含量和配比精确，每种熔渣样品需要称量三次，取其平均值作为称量结果，实验渣样中、。实验用 材料来自某耐火厂生产的镁碳耐火砖，含碳量分别为 、和 ，其理化指标见表。表 基板的理化指标基 板显气孔率 体积密度（）常温耐压强度 高温抗折强度（，）.实验方法超真空高温润湿测试系统由炉体、样品台升降操控系统、.的高纯氩循环系统、抽真空系统（由机械泵和分子泵两部分构成）、摄像系统和高温润湿结果处理系统组成，如图 所示。炉子的本体部分包括水箱、钽加热器、六层钼保温屏蔽层和石英玻璃观察孔。采用座滴法测量多元熔渣与不同碳含量的 基板间的润湿角。将配制好的渣样直接放置在 基板上，在升温过程中，熔渣样品逐渐熔化、反应直至铺展在基板上。实验过程中，采用钨铼热电偶测量炉体内部温度，红激光作为光源，使用高倍数码相机每 记录一张反应润湿图，并将得到的实验图片通过末端电脑输出至专用软件计算润湿角。真空高温润湿测试系统升温制度见表。图 高温润湿实验装置表 超真空高温润湿测试系统升温制度初始温度 结束温度 时间 结果与讨论图 为四种不同碳含量的镁碳砖与熔渣润湿行为的变化过程。由图 可知，炉内温度升至 左右冶 金 能 源 .时，熔渣开始逐渐熔化，初始状态时炉渣与 基板间的接触角均大于，处于不润湿状态。随着温度的不断提高，炉渣在 基板上逐渐铺展，至熔渣的形貌不再变化时，除 的镁碳砖外，其余碳含量的镁碳砖与熔渣两相间的接触角均小于。温度的升高有利于液态熔渣中分子、离子向 基板传质和扩散，改变了两相间的润湿。另外，熔渣与 基板（和 ）反应过程中，熔渣表面呈现膨胀状态，导致形状不规则。这与 等人研究熔渣与含碳耐火材料间的润湿行为得到的结果一致，认为渣中的 被 耐火材料中的 还原产生 以及 气体，使熔渣体积增大。图 不同碳含量的 耐火材料与熔渣润湿反应过程图 不同碳含量的 耐火材料与熔渣润湿过程接触角变化图 为不同碳含量的镁碳砖与熔渣润湿反应过程中接触角的变化。由图可知，随着温度的升高，熔渣与不同碳含量的镁碳砖的接触角逐渐减小，且在相同温度下随着镁碳砖中的碳含量增加，熔渣与镁碳砖的接触角增大。在润湿反应结束后，碳含量为、和 的镁碳砖与熔渣的接触角均小于，而碳含量为 的镁碳砖与熔渣的接触角仍大于。为研究不同碳含量的镁碳砖与熔渣间的界面反应特性和侵蚀行为，将 的镁碳砖、的镁碳砖与熔渣润湿反应后的试样进行镶嵌处理，利用配备有能量色散光谱仪（）的场发射扫描电子显微镜（）观察两相界面的微观结构。熔渣中的、和 沿着镁碳砖自身存在的孔隙或镁碳砖表层的碳被氧化形成的孔洞向耐火材料内部渗透，形成低熔点化合物（）和 （），加速了耐火材料的侵蚀。此外，随着碳含量的增加，熔渣向镁碳耐火材料的渗透深度不断减小，由.（）降低至.（）。根据 方程，炉渣在耐火材料中的水平渗透深度可用式（）表示。（）（）式中：为熔渣在耐火材料中渗透深度；为耐火材料微气孔半径；为界面张力；为炉渣与耐火材料的接触角；为熔渣表观黏度；为渗透时间。因此，随着耐火材料中碳含量的增加，两相间的接触角增大，渗透深度减小。整个界面润湿反应过程包括接触、扩散和化学反应等环节，第二相表面存在的微小孔隙及裂纹会为炉渣与第二相的基质互相扩散提供通道，在升温条件下炉渣本身的化学反应及与第二相中元素的化学反应会生成低熔点液相，并在界面处交互扩散及反应。由余仲达渗透理论可知，采用公式（）定义渗透系数，同时采用公式（）来评价熔渣的渗透驱动力。由此可见，镁碳砖中的碳含量增加，熔渣与镁碳砖的接触角 增大，值减小（基于图 所示的结果，碳含量由 增至，由 变化至时推算 值），渗透系数 和熔渣渗透驱动力 减小，熔渣对镁碳砖的侵蚀程度降低。（）（）（）（）.冶 金 能 源 式中：为基板的平均开口气孔径，；为熔渣表面张力，；为熔渣与基板间的润湿角，（）；为熔渣的粘度，；为熔渣渗透驱动力，；为毛细管的半径，。高温润湿实验研究了不同碳含量的镁碳砖与四元熔渣的润湿行为，随着碳含量降低，熔渣与镁碳砖的润湿性改善，为熔渣的扩散、溶解和渗透等界面反应提供有利的动力学条件，最终导致熔渣对镁碳砖的侵蚀更为严重。开展低碳镁碳材料的研究时，碳含量控制是关键性问题，在满足炼钢生产所需的基础性能的同时，应进一步关注低碳耐火材料的润湿性能和抗渣性能。结论（）随着镁碳砖中碳含量的降低，熔渣与 耐火材料间的接触角逐渐减小，在润湿反应结束后，只有碳含量为 的镁碳砖与熔渣的接触角仍大于。（）随着镁碳砖中碳含量的增加，炉渣向耐火材料内部的渗透深度也逐渐减小，由.（）降低至.（）。镁碳砖中的碳含量降低，为熔渣的扩散、溶解和渗透等界面反应提供动力学条件，最终导致熔渣对镁碳砖的侵蚀更为严重。参考文献 李庭寿，王泽田.我国耐火材料工业的发展历程，取得的进步和低碳转型新发展 纪念钟香崇院士诞辰 周年 耐火材料，（）：.赵紫薇，孔福林，童莉葛，等.基于“”目标的中国钢铁行业二氧化碳减排路径与潜力分析 钢铁，（）：上官方钦，周继程，王海风，等.气候变化与钢铁工业脱碳化发展 钢铁，（）：.张琦，沈佳林，许立松.中国钢铁工业碳达峰及低碳转型路径 钢铁，（）：.，：，（）：.，：.李林，洪彦若，孙加林，等.低炭 质耐火材料的抗熔渣侵蚀行为 耐火材料，（）：.李红霞，杨彬，刘国齐，等.钢液对连铸用含碳耐火材料的侵蚀作用研究 耐火材料，（）：.，：.，：.，（）：.，（）：.马世春，韩俊华.低碳 耐火材料研究的新进展 耐火材料，（）：.黄海，周秀丽，马北越，等.添加镍对低碳 连铸耐火材料制备及性能的影响 连铸，（）：.刘耕夫，廖宁，纪子旭，等.连铸用烧成铝碳质滑板 研 究 现 状 硅 酸 盐 通 报，（）：.朱天彬，李亚伟，桑绍柏.低碳化镁碳耐火材料的研究进展 中国材料进展，（）：.，（）：.，（）：冶 金 能 源 .潘贻芳，赵宏欣，吴燕，等.转炉渣与镁质耐火材料的润湿机制 钢铁，（）：.程礼梅，张立峰，沈平.钢铁冶金过程中的界面现象 工程科学学报，（）：.，（）：.沈平，张立峰，杨文，等.精炼渣对镁碳质基片的 润 湿 性 和 渗 透 性 钢 铁，（）：.，：.，（）：.，（）：.，（）：.万 雪编辑（上接第 页）姜鑫，沈峰满，韩宏松，等.高炉渣适宜镁铝比分段管控的分析与应用 钢铁，（）：.，（）：.刘文果.系高炉渣脱硫排碱实验研究 西安建筑科技大学，.，（）：.，（），（）：.，（）：.常治宇，焦克新，张建良，等.和 对炉渣热焓的影响及热力学分析 冶金能源，（）：.万 雪编辑.冶 金 能 源