陳 昱，張李寬

（1. 上海出版印刷高等?？茖W校，上海 200093；2. 上海寶鋼不銹鋼有限公司，上海 200431）

目前我國鋼鐵行業(yè)正在迅速發(fā)展，近年來粗鋼產量連續(xù)位居世界第一。面對如此龐大的體量，如何降低成本、節(jié)約資源以及保護環(huán)境，是我國鋼鐵行業(yè)面臨的難題。高效、節(jié)能是各冶金企業(yè)生存的關鍵。

在鋼鐵生產流程中，耐火材料必不可少，它廣泛應用在各種冶煉爐的爐襯部位。鎂碳磚（MgO-C）是由鎂砂、石墨、添加劑和結合劑組成的一種復合材料。鎂碳磚中的氧化鎂具有高熔點和高耐火性，其熔點高達2800 ℃，化學性能穩(wěn)定，但容易被爐渣潤濕，且熱膨脹系數較大。與MgO相比，鎂碳磚中的石墨熱導率高、膨脹率低、鋼渣濕潤性低，能夠有效地降低鎂碳磚的高溫剝落以及熔渣滲透作用。兩者的結合使得鎂碳磚具有較高的抗熱沖擊性和抗侵蝕性，從而表現(xiàn)出較好的抗侵蝕性和抗熱震性，可廣泛應用于鋼鐵冶金工業(yè)中［1-7］。隨著對鋼鐵性能要求的提高，耐火材料對轉爐整體使用壽命以及生產成本的影響越來越大，因而對鎂碳磚的抗渣性能也有了更高的要求。要提高鎂碳磚爐襯的使用壽命，必須對鎂碳磚的侵蝕機理進行深入分析。

1 鎂碳磚侵蝕研究現(xiàn)狀

由于反應容器、操作工藝、爐渣成分的不同，且涉及機械沖刷、高溫作用、化學侵蝕等物理化學過程，鎂碳磚的侵蝕情況總體來說相對復雜。因此，往往主要從爐渣的化學侵蝕和機械沖刷等方面研究耐火材料的侵蝕過程。

目前國內外廣泛采用濺渣護爐工藝。鎂碳磚在轉爐冶煉過程中不與鋼水、爐氣及爐渣直接接觸，從而有效降低其侵蝕速度，保護耐火爐襯。楊文遠等［8］在轉爐吹煉過程中利用副槍取樣、測溫，并對爐襯殘磚的化學成分、巖相、流動溫度進行測定，研究轉爐濺渣護爐爐渣的控制及爐襯侵蝕機理。對實驗結果進行綜合分析后發(fā)現(xiàn)，轉爐終渣中MgO的質量分數應控制在10%左右。蔡偉等［9］利用冷態(tài)模擬方法研究了轉爐冶煉低碳鋼時爐襯的侵蝕規(guī)律和濺渣時轉爐熔池部位的合理留渣量和濺渣槍位。按一定比例制作實驗模擬儀器，其中爐襯的耐火材料采用硼砂磚。硼砂磚經過等靜壓機一次壓制后切塊、打磨、粘結在轉爐模型的內壁。濺渣冷態(tài)模擬實驗中采用水模擬轉爐爐渣，5個取樣位沿轉爐爐壁從高到低分布。實驗結果顯示：沖刷侵蝕最嚴重的區(qū)域在熔池部分；隨著槍位升高，熔池部分侵蝕加劇，熔池以上部分的侵蝕深度有所減弱，轉爐爐底部分侵蝕基本保持不變。目前爐外精煉工藝中廣泛采用氧化鎂基耐火材料。耐火材料易受爐渣的侵蝕從而溶解到精煉爐渣中，這仍是縮短其壽命的主要原因。為有效提高精煉工藝中耐火材料的使用壽命，Huang等［10］研究了燒結MgO和MgO-C耐火材料在CaO-Al2O3-SiO2系精煉合成渣中的溶解行為。一定溫度條件下，將耐火材料試樣放入熔融爐渣中，高溫條件下通氬氣攪拌，通過測量最終爐渣的組成分析其溶解行為。結果表明，所有樣品的溶解速率都會隨氣體流速的增加而增加，但是在相同的氣體流速下，燒結MgO的溶解速率要高于鎂碳質耐火材料的溶解速率。另外，爐渣中含有FeO，由于FeO對碳的氧化作用促進了鎂碳質耐火材料的溶解過程。爐渣向耐火材料滲透，這對耐火材料的侵蝕影響較大。在較低氣體流速下，滲透層中MgO向爐渣的傳質過程成為限制環(huán)節(jié)。隨著氣體流速增大，大量氬氣氣泡覆蓋在耐火材料表面，阻礙爐渣和固相接觸，從而有效降低了耐火材料溶解速率。

2 實驗設備及方法

2.1 實驗原料

為探究爐渣成分對鎂碳磚侵蝕的影響，并排除其他元素的干擾，采用分析純試劑配制實驗渣系，F(xiàn)eO經折算用FeC2O4·2H2O代替。表1為實驗原料。

表1 實驗原料Tab.1 Experimental materials

2.2 實驗設備

取工業(yè)現(xiàn)場用鎂碳磚，用切割機切成長條狀，其一端經砂輪機、砂紙等打磨成圓柱狀，要求圓柱高度不小于鎂碳磚長度的50%，且各部位盡量保持尺寸均勻。圖1為處理好的鎂碳磚試樣。

圖1 鎂碳磚試樣Fig.1 Magnesia carbon brick sample

實驗主要設備為：①馬弗爐（XD-1700VCB型）：其工作溫度可達到1700 ℃。根據不同實驗要求，可設置不同自動控溫程序。②金相拋磨機（PA-2型）：該儀器適用于金相等試樣制備過程，具有節(jié)能、高效等優(yōu)良特征。利用該設備打磨、拋光鎂碳磚試樣后在掃描電鏡下檢測。③掃描電鏡（SEM）（JEM-6701F型）：利用掃描電鏡觀察鎂碳磚試樣的侵蝕界面。SEM由真空系統(tǒng)、電子束系統(tǒng)以及成像系統(tǒng)等部分組成。④X射線衍射儀：主要用于鎂碳磚侵蝕后熔渣的物相鑒定。⑤XL-M3220輕型臺式砂輪機：用于實驗前鎂碳磚試樣的制備及后期鎂碳磚試樣的處理。⑥S1002輕型多功能切割機：用于鎂碳磚試樣切片處理。⑦氧化鋁坩堝（Φ60 × 90 mm）：主要用于鎂碳磚試樣侵蝕實驗；石墨坩堝（Φ90 ×130 mm）：用于保護氧化鋁坩堝，防止其開裂，損壞馬弗爐。⑧其他輔助設備及材料：制粉機、游標卡尺、砂紙、標簽、試樣袋等。

2.3 方案設計

以轉爐冶煉過程為研究對象，采用轉爐冶煉CaO-SiO2-FeO-MgO渣系，在靜態(tài)條件下探究1630 ℃時爐渣中MgO的質量分數wMgO、爐渣堿度R、爐渣中Fe的質量分數wFeO和侵蝕時間t對鎂碳磚侵蝕的影響。

2.4 實驗步驟

首先進行試樣制備。取工業(yè)用鎂碳磚，按要求制備鎂碳磚試樣。測量鎂碳磚試樣的直徑d1，多次測量取平均值，做好記錄與標記；然后按實驗方案配制相應的爐渣，將其充分混勻后，置于干燥箱內保存，以待使用。調節(jié)自動控溫程序，啟動馬弗爐，升溫至1000 ℃，保溫5 min；再將配好的爐渣隨坩堝放入爐內，通氬氣保護，繼續(xù)升溫至1630 ℃，保溫一定時間，待爐渣完全融化后，適當攪拌，以保證爐渣成分、溫度均勻。將制備好的鎂碳磚試樣浸入爐渣內，根據實驗要求，設定不同的保溫時間；最后，取出試樣，冷卻至室溫。取部分爐渣，粉碎至74 μm，利用X射線衍射儀檢測爐渣物相組成。對鎂碳磚試樣經切片、打磨、拋光、噴金后進行SEM分析，同時測量實驗結束后鎂碳磚試樣的直徑d2，多次測量取平均值。

3 實驗結果及分析

鎂碳磚的侵蝕過程可表述為侵蝕界面隨時間向鎂碳磚內部推移的過程。隨著脫碳反應的進行，原質層轉化為脫碳層，脫碳層進一步形成滲透層。鎂碳磚隨著侵蝕的加劇發(fā)生剝落，進入爐渣中。侵蝕時間是影響剝落層厚度的重要因素。

圖2為不同實驗條件下剝落層厚度隨侵蝕時間的變化。由圖中可見，剝落層厚度隨侵蝕時間的延長逐漸增加，鎂碳磚損毀加劇。圖2（a）、（b）中在前1 h，剝落層厚度隨侵蝕時間延長增長較快；圖2（c）中在前1.5 h，剝落層厚度隨侵蝕時間延長快速增長，表明此時耐火材料侵蝕劇烈，侵蝕速率較快。隨著侵蝕時間的延長，圖2中剝落層厚度的增長趨勢均明顯放緩。產生這種現(xiàn)象的原因是多方面的：首先，結合對爐渣及滲透層物相組成的分析可知，在鎂碳磚侵蝕前期，隨著反應的進行，鎂鋁尖晶石相開始析出，且主要分布于滲透層內，這一定程度上阻礙了爐渣向耐火材料的滲透過程，有效減緩了耐火材料的侵蝕；其次，爐渣中的FeO在侵蝕過程參與脫碳反應，F(xiàn)eO被大量還原，導致后期爐渣的氧化性降低，減緩了耐火材料的侵蝕速率。

通過比較圖 2（a）、（b）、（c）可知，爐渣成分不同時，鎂碳磚耐火材料的侵蝕程度不同。圖2（a）中耐火材料侵蝕最為嚴重，圖2（b）中次之，圖2（c）中的侵蝕程度與前兩者相比較輕。這與爐渣中MgO、FeO的質量分數以及爐渣堿度R密切相關。

圖2 剝落層厚度隨侵蝕時間的變化Fig.2 Relationship between the thickness of flaking layer and time

3.1 爐渣中 MgO 的質量分數

轉爐采用鎂碳質耐火爐襯，MgO是爐襯的主要組成部分。合理設置爐渣中MgO的質量分數，對減緩鎂碳磚侵蝕，提高爐襯壽命至關重要。圖3為FeO的質量分數為20%、爐渣堿度R為3.5、侵蝕時間為1 h時，MgO的質量分數對鎂碳磚試樣侵蝕的影響。

圖3 剝落層厚度隨 MgO 的質量分數的變化Fig.3 Relationship between the thickness of flaking layer and MgO mass fraction

由圖3中可知，在一定范圍內，針對MgO質量分數不同的渣系，剝落層厚度隨MgO的質量分數的增加呈遞減趨勢，即鎂碳磚的侵蝕程度隨MgO的質量分數的增加逐漸降低。爐渣中MgO的質量分數小于8%時，侵蝕較嚴重，此時渣中的MgO處于不飽和狀態(tài)，鎂碳磚會發(fā)生溶解。當爐渣中MgO的質量分數大于8%時，隨著MgO的質量分數的增加，鎂碳磚的侵蝕程度明顯減弱，且逐漸趨于平緩。這是由于爐渣中的MgO趨于飽和，鎂碳磚中的MgO向爐渣中溶解的過程受到抑制。

結合冶煉實際，從爐渣MgO的飽和度、節(jié)約成本、提高爐齡等各方面綜合考慮，當前轉爐正常冶煉的爐渣MgO的質量分數約為8%～12%，與本實驗結果相似。

當然，針對本實驗MgO的質量分數對耐火材料侵蝕的影響結果，分析其原因也可能是多方面的。首先，爐渣與耐火材料之間的化學平衡因素是最主要的原因，適當地增加爐渣中MgO含量，使其達到或者趨近于爐渣的飽和度，能抑制耐火材料向爐渣中的溶解過程，降低鎂碳磚的侵蝕程度；其次，需要考慮鎂鋁尖晶石的形成對實驗結果產生的影響。隨爐渣中MgO的質量分數的增加，實驗過程中產生鎂鋁尖晶石的可能性也隨之增加，這有效阻止了爐渣滲透及耐火材料侵蝕，提高了耐火材料的抗渣侵蝕能力。本實驗中爐渣隨著MgO的質量分數的增加，黏度增大。所以，理論上可認為MgO含量越高，越能減少爐渣對鎂碳磚的滲透。

3.2 爐渣堿度

生產實踐中，爐渣堿度通常表示為爐渣中主要堿性氧化物的質量分數與酸性氧化物的質量分數之比，用R表示。本實驗取二元堿度，即R=wCaO/wSiO2，其中wCaO、wSiO2分別為CaO、SiO2的質量分數。堿度是冶煉過程需要控制的一個重要指標，它會影響轉爐脫硫、脫磷效率，對爐襯的侵蝕也有影響。因為轉爐中采用堿性爐襯，爐渣堿度高低直接決定耐火材料的侵蝕狀況。

圖4為FeO、MgO的質量分數分別為20%、8%，侵蝕時間為1 h時，爐渣堿度對耐火材料侵蝕的影響。隨爐渣堿度的增加，鎂碳磚剝落層厚度呈下降趨勢，即在一定范圍內，爐渣堿度越高，鎂碳磚的侵蝕程度越低。當R低于3.5時，曲線變化明顯，表明堿度越低，鎂碳磚的侵蝕速率越大，耐火材料侵蝕嚴重；當R高于3.5時，剝落層厚度變化趨于平緩，鎂碳磚的侵蝕程度在低水平保持穩(wěn)定。生產實際也證明，爐渣堿度控制在3.5左右，侵蝕程度明顯減緩，轉爐爐齡明顯提高，這與本實驗結果基本相符。

圖4 剝落層厚度隨爐渣堿度 R 的變化Fig.4 Relationship between the thickness of flaking layer and slag alkalinity

此外，從爐渣流動性方面考慮：低堿度時，爐渣黏度較低，流動性好，便于耐火材料-爐渣反應、傳質等；隨爐渣堿度的增加，爐渣黏度也會有所增加，這不僅降低了爐渣的流動性，也限制了耐火材料-爐渣之間的反應或兩者間的傳質過程，減緩了耐火材料侵蝕。這一因素在實際冶煉過程需要考慮。因此，控制適當的爐渣堿度，不僅對正常冶煉需求，而且對整個環(huán)節(jié)都有重要意義。

3.3 爐渣中 FeO 的質量分數

對鎂碳磚侵蝕機理的研究分析表明，鎂碳磚表層碳的消耗與其侵蝕過程密切相關，且直接影響整個侵蝕過程。鎂碳磚中的脫碳反應主要有三類：氧化性爐渣脫碳、爐氣脫碳以及鎂碳磚內的雜質在高溫下與磚體中的碳直接發(fā)生脫碳反應。其中，氧化性熔渣對鎂碳磚脫碳的影響較為嚴重。

高溫條件下爐渣中的鐵元素主要以Fe2+形式存在，爐渣中FeO的質量分數是衡量爐渣氧化性的主要指標，因此本實驗中通過爐渣中FeO的質量分數的變化探究其對鎂碳磚侵蝕的影響。圖5為MgO的質量分數為6%，爐渣堿度R為3.5，侵蝕時間為1 h時，鎂碳磚剝落層厚度隨爐渣中FeO的質量分數的變化。隨著爐渣中FeO的質量分數的增加，鎂碳磚侵蝕速率幾乎以一定的速率恒定增長，導致剝落層厚度近似直線上升。

圖5 剝落層厚度隨渣中 FeO 的質量分數的變化Fig.5 Relationship between the thickness of flaking layer and FeO mass fraction

為進一步分析FeO的質量分數對鎂碳磚侵蝕的影響，根據爐渣XRD檢測結果，爐渣中含較多低熔點（Mg，F(xiàn)e）2SiO4橄欖石相。隨著爐渣中FeO的質量分數增加，理論上FeO與MgO反應的幾率上升，爐渣中橄欖石的量也會相應增加，對爐渣黏度等產生較大影響，進而影響鎂碳磚的侵蝕過程。

根據實驗分析結果，并結合冶煉實際，在轉爐冶煉過程中：前期為加速爐渣熔化，F(xiàn)eO的質量分數較高，會對爐襯造成一定程度的侵蝕；中期由于鋼水脫碳，F(xiàn)eO的質量分數降低，侵蝕程度也相應降低；后期受鋼水中碳含量的限制，爐渣中FeO的質量分數急劇增加。這不僅降低金屬收得率，而且對爐襯侵蝕較嚴重。因此，適當降低冶煉后期爐渣中FeO的質量分數能減緩耐火材料侵蝕。

4 結論及建議

通過開展靜態(tài)條件下鎂碳磚侵蝕高溫模擬實驗，研究了爐渣成分對鎂碳磚損毀行為的影響，利用多種分析手段對侵蝕后的鎂碳磚試樣進行了處理分析，討論了侵蝕時間、爐渣中MgO的質量分數、爐渣堿度以及爐渣中FeO的質量分數等因素對鎂碳磚侵蝕行為的影響，主要結論及建議為：

（1）鎂碳磚侵蝕界面可分為渣層、滲透層及原質層等三個部分。其中，滲透層主要由還原Fe相、渣相及鎂鋁尖晶石相等組成。鎂鋁尖晶石相的形成對熔渣向鎂碳磚中滲透起到了抑制作用。隨著反應的進行，爐渣氧化性降低，黏度增加，鎂碳磚的侵蝕速率減小。

（2）爐渣中MgO的質量分數對鎂碳磚侵蝕速率有顯著影響。適當提高爐渣中MgO的質量分數（大于8%），能夠抑制耐火材料向爐渣中的溶解過程，促進尖晶石相的形成，降低爐渣對爐襯耐火材料的侵蝕速率。

（3）爐渣堿度R升高，鎂碳磚侵蝕程度降低。適當提高爐渣堿度（大于3.5），有利于降低爐渣對堿性耐火材料的侵蝕。

（4）鎂碳磚的侵蝕隨爐渣中FeO的質量分數增加而加劇。適當降低轉爐冶煉后期爐渣中FeO的質量分數（小于16%），不僅可以提高金屬收得率，而且可以降低鋼包耐火材料的侵蝕。