炉渣氧化性对粘渣层与镁碳砖之间结合的影响

摘要  以镁碳砖为试样，采用不同氧化性的炉渣进行了粘渣实验，并且对粘渣层的结合状态进行了显微镜观察。结果发现，粘渣层与镁碳砖的结合状态受炉渣氧化性或炉渣熔点、粘度及其与镁碳砖反应活性的影响：炉渣氧化性低，粘渣层与镁碳砖之间结合紧密，粘渣层厚；炉渣氧化性高，粘渣层与镁碳砖之间含有较大的气泡，粘渣层薄而不连续；采用含碳镁质材料调整炉渣氧化性后，粘渣层与镁碳砖之间的结合状态得到改善。
关键词 镁碳砖，转炉，溅渣护炉，炉渣，氧化性

　　转炉溅渣护炉是将炉渣溅起涂敷到炉衬表面上形成一定厚度的溅渣层，以起到保护镁碳砖炉衬的作用。有关影响溅渣层与镁碳砖之间的结合状况及其护炉效果的主要因素，目前的研究文章比较少。本工作以实际转炉炉衬用镁碳砖为试样，采用具有不同氧化性的炉渣进行粘渣对比试验，研究了炉揸氧化性对粘渣层与镁碳砖之间的结合状态，包括粘渣层厚度、均匀性、气孔(泡)的大小等的影响，并且探讨了其影响机理。
1 实验
1.1 试样
　　试验用镁碳砖试样与实际转炉炉衬用镁碳砖相同，其中电熔镁砂的含量为83％(质量分数，下同)，碳含量为17％。将试验用镁碳砖切成5mm×10mm×l00mm的条状作为粘渣试样。炉渣按氧化性由低到高分为1#、2#、3#和4#共4种，其化学组成见表1。前3种取自生产现场，后一种因为TFe含量高达30％，生产现场难以取到，故采用化学试剂配制。1#～4#炉渣的碱度分别为2.24、3.02、5.49、3.00。

表1 炉渣的化学组成（ω）

1.2 实验方法
　　用MoSi2棒卧式管式高温炉测定炉渣熔点。将装有炉渣的电溶氧化镁坩埚放入MoSi2棒高温炉内，加热至炉渣熔化，在过热度为50-80℃下恒温。把镁碳砖条放在坩埚上方1mm左右处，将其表面的挥发分处理掉。接着将镁碳砖条浸入熔化的炉渣中保持1min，取出后于空气中冷却。全过程在氩气保护下进行。将粘渣后的试样横向切割，并固化磨样。在显微镜下观察粘渣层与镁碳砖之间的结合形貌，用扫描电镜进行成分分析。

2 实验结果
2.1 炉渣熔点
　　经测定，1#、2#、3#、4#炉渣的熔点分别为1540、1460、1394、1340。对照表1的炉渣成分可以看出，炉渣的熔点主要受渣中TFe含量的影响。
2.2 镁碳砖与粘渣层的结合形貌
　　不同氧化性的炉渣与镁碳砖之间的结合状态，即粘渣层厚度、结合强度以及有无气泡等，均存在很大的差别。当采用TFe含量为8.24%和16.19%的炉渣进行粘渣试验时，粘渣层厚度为2～3mm。其中，TFe含量为8.24%的炉渣，粘渣层与镁碳砖之间结合牢固，无缝隙存在；而TFe含量为16.19%的炉渣，粘渣层与镁碳砖之间结合不连续，有细小的气孔存在。当采用TFe含量为21.70％和30.00％的炉渣进行粘渣试验时，粘渣层与镁碳砖之间有较大的气泡存在。尤其是TFe含量为30.00％的炉渣，其粘渣层与镁碳砖之间存在与外界相通的极薄的大气泡。

3 讨论
3.1 炉渣氧化性对炉渣熔点和粘度的影响
　　如前所述，随着TFe含量的增加，炉渣熔点下降。众所周知，炉渣中的FeO尤其是Fe203的存在，能帮助熔化渣中的高熔点氧化物，起化渣剂作用，并且导致熔渣粘度下降。炉渣的粘度主要取决于其所含离子的离子半径大小，而Fe2+和Fe3+的离子半径在炉渣中所含的所有阴、阳离子中是最小的，故随着Fe2+、Fe3+离子含量的增加，炉渣的粘度下降。由于炉渣的氧化性具有双重作用，高氧化性的炉渣熔点低、粘度低，因此对镁碳砖的附着力小，不易粘结上。正如图1中(c)、(d)所示的那样，试样粘渣层内含有较大气泡，或者粘渣层薄而不连续。这样的粘渣层在高温下的耐蚀性很低。与此相反，低氧化性的炉渣熔点高、粘度大，对镁碳砖附着力大，容易粘结上，可以形成如图1中(a)、(b)所示的很厚的粘渣层。尤其如图1(a)所示的粘渣层，不但粘渣层厚，而且因为粘渣的熔点高，故在高温下的耐蚀性也高。
3.2 炉渣氧化性对粘渣层牢固程度的影响
　　粘渣层与镁碳砖之间结合状态的差异，是由炉渣中的TFe含量所决定的。
　　TFe含量为8.24％的炉渣所形成的粘渣层与镁碳砖之间结合状态良好，为无缝隙的紧密结合。经过扫描电镜测定，在靠近粘渣层与镁碳砖结合部位的渣侧，有细小铁珠存在。这说明，尽管炉渣的氧化性低，但在粘渣过程中，含石墨的镁碳砖基质与炉渣接触时仍发生了如下反应：

(Fe2O3)+C＝2(FeO)+{CO} (1)
(FeO)+C＝[Fe]+{C0} 　　(2)

　　上述反应生成{CO}小气泡和细小铁珠。由于该渣熔点高，粘度大，加之上述反应是吸热过程，因此在反应部位形成局部“冷区”，所以炉渣粘度进一步提高，进而使得细小铁珠被炉渣粘滞而留在渣中。而生成的{CO}小气泡排出或者分散在渣中。
　　TFe含量为16.19％的炉渣所形成的粘渣层与镁碳砖之间的结合状态中，镁碳砖中的粗颗粒镁砂与粘渣层之间形成良好的紧密结合，而含石墨的基质与粘渣层之间有细小的气孔存在。在二者结合部靠近渣侧的地方仍然存在较多的细小铁珠。细小气孔和铁珠的存在，说明镁碳砖浸入氧化性比较高的炉渣中进行粘渣时，反应(1)和反应(2)比较激烈，较多的细小铁珠和未来得及排出的{CO}小气泡留在二者结合部的渣侧。细小气孔的存在，使粘渣与镁碳砖之间不能形成完全连续的紧密结合。
　　TFe含量为21.70％和30.00％的炉渣所形成的粘渣层与镁碳砖之间的结合状态中粘渣层很薄而且不连续，并且含有较大的气泡，结合强度很低。这一现象说明，镁碳砖浸入氧化性更高的炉渣中进行粘渣时，上述反应(1)和反应(2)更加猛烈，生成了大量的CO。这些CO在逸出过程中对粘渣层产生向外的推力，阻碍了粘渣层与镁碳砖之间相结合。高氧化性炉渣熔点低，粘度小，不易粘附在镁碳砖上。即便粘结在镁碳砖上，也只能形成很薄的一层渣皮，并且夹着薄而大的气泡，粘结很不牢固。有研究结果表明，渣中氧化铁含量增加一倍时，镁碳砖中碳的氧化速率提高一倍。因为Fe2+、Fe3+离子半径很小，对镁碳砖渗透能力很强，可发生强烈的脱碳反应使镁碳砖脱碳层厚度增加。失去碳网络骨架支撑的脱碳层呈疏松状态。此外，反应产物{C0}在向外排出时扩大了渗透通道，为(Si02)、(Fe203、(FeO)、(MnO)等氧化物的侵入创造了条件，导致砖中氧化镁颗粒发生分离而熔人渣中，使脱碳层逐渐剥落而消失。由此可知，用高氧化性炉渣对镁碳砖进行粘渣，不但粘渣效果差，而且还会对镁碳砖造成侵蚀。

4 改进
　　高氧化性炉渣对镁碳砖的粘渣效果差。如果采用含碳的镁质材料将高氧化性炉渣中的TFe含量降下来后再进行粘渣试验，效果又会如何呢?为此，在接下来的试验中，采用含碳的镁质材料把TFe含量为16.19％的炉渣的TFe含量调整至11.00％，再用镁碳砖浸入改质后的炉渣中进行粘渣试验，结果粘渣层与镁碳砖之间的细小气孔消失，粘渣层与镁碳砖之间产生如图2所示的良好而紧密的结合，结合强度大大提高。

5 结论
(1)采用低氧化性炉渣，粘渣层厚，熔点高，粘渣层与镁碳砖之间形成良好的紧密结合。
(2)采用高氧化性炉渣，粘渣层很薄且不连续，熔点低，粘渣层与镁碳砖之间有较大的气泡。
(3)采用含碳的镁质材料调整炉渣氧化性后，粘渣层与镁碳砖之间的结合状态得到了改善。