电磁场对MgO-C耐火材料抗渣动力学的影响研究

摘要

随着电磁冶金技术和超导技术的发展,电磁场在钢铁冶金工业中存在领域日益广泛,如在转炉长流程炼钢中利用电磁力对金属熔体进行非接触加热、旋转搅拌、分离、流速及形状控制,在电炉短流程炼钢中电弧炉产生电磁场或感应炉中存在电磁场,以及炉外精炼中存在的电磁场。这些领域的特点是高温环境,急冷急热,有电磁场存在,渣蚀严重。而MgO-C耐火材料由于具有较好的热震稳定性和抗侵蚀性,因此常使用于带电磁场的高温环境中。高温下耐火材料为半导体,熔融的炉渣中含有大量自由移动的离子,电磁场对耐火材料本身性质及渣与耐火材料的界面反应均会产生重要影响,主要表现在电磁场对石墨氧化反应和渣/镁砂的侵蚀作用两方面的影响上。本文从电磁场对MgO-C耐火材料抗侵蚀动力学理论及实践影响机理的角度,开展了氩气气氛下静磁场和电磁场环境对MgO-C耐火材料抗渣机理的影响研究,并结合侵蚀速率研究了静磁场下MgO-C耐火材料的侵蚀动力学机理,同时研究了电磁场下碳含量、高铁渣等对MgO-C耐火材料抗侵蚀的影响机制。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)分别对实验后试样的物相、显微结构和微区成分进行分析,着重分析渣与MgO-C耐火材料界面处成分、相组成、气孔等显微结构。
　　 在1700℃、0.1MPa氩气气氛、磁场强度H=0、125、250、500mT的环境下分别保温15min、30min、60min、120min,进行静磁场环境下熔渣对低碳(6wt.％)MgO-C砖的侵蚀实验,研究磁场强度对低碳MgO-C砖的渣蚀机理和侵蚀动力学的影响。结果表明,在静磁场环境下,低碳MgO-C砖渣蚀后,侵蚀初期试样有较厚的渗透层,在渣蚀层/渗透层边界处Ca、Si沿MgO边界渗入砖内:侵蚀后期试样大部分形成了MgO致密层,渗透层消失;渣线部位高温相为富铝的镁铝尖晶石,低熔相为硅酸三钙和镁黄长石;MgO和碳的反应是侵蚀过程的主要机理,其反应速率主要由CO(g)和Mg(g)在渗透层的扩散控制。无磁场时,低碳MgO-C砖渣蚀后,侵蚀初期在渣蚀层和原质层边界处存在由许多镁砂颗粒桥接形成结构较致密的MgO保护层,阻止了渣向原质层的渗入;侵蚀后期试样中MgO保护层消失,渣向砖中渗透,渗透层厚度较小;渣线部位高温物相为镁铝尖晶石,低熔相为镁橄榄石和钙镁橄榄石;MgO-C砖的侵蚀受MgO在渣中的溶解控制。
　　 在1600℃、0.1MPa氩气气氛、感应炉中,进行电磁场作用下熔渣对低碳(6wt.%)MgO-C砖的侵蚀实验,研究电磁场对低碳MgO-C砖抗渣侵蚀机理的影响。结果表明,在电磁场下,低碳MgO-C砖渣蚀后,在试样的渣层和脱碳层之间有一层较厚的富MgO反应层;由于电磁场提高了Fe2+、Mn2+离子在MgO的扩能,该层中含有大量Mn掺杂的MgFe2O4相。脱碳层中含大量气孔,且尺寸较大。但还原金属颗粒较少,粒度较小。主要是由于钢水和石墨形成高温电池,使CO气体在和金属Fe分区生成。脱碳层中渣含量较少,但脱碳层厚度较大。渣向砖中渗透很小。渣线部位高温物相为镁铝尖晶石,低熔相为钙镁橄榄石和顽辉石。
　　 分别在1600℃、0.1MPa氩气气氛、感应炉和电阻炉中,进行熔渣与MgO-C砖的侵蚀实验,研究电磁场对含Fe量不同的渣与含碳量不同的MgO-C砖抗渣侵蚀机理的影响。实验结果表明:电磁场促进了高铁渣对MgO-C试样渗透层的形成和损毁,加强了渣中Fe2+/3+对富MgO反应层的侵蚀。渣中Fe含量对试验脱碳层的侵蚀影响较大,减小了渣的粘度并降低了脱碳层中Mg蒸汽的分压,加强了脱碳层的侵蚀。MgO-C试样中碳的含量对富Mg0反应层和脱碳层的侵蚀影响较大,碳含量的增加使富MgO反应层变薄,脱碳层中对流加大,MgO溶解加强。