摘要:研究了碳含量的變化對鎂碳磚抗渣侵蝕性、抗氧化性能、高溫抗折強(qiáng)度和熱震穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明:隨碳含量增加,鎂碳磚的體積密度、耐壓強(qiáng)度降低;碳含量在6%8%時,鎂碳磚的高溫抗折強(qiáng)度、熱震穩(wěn)定性、抗渣侵蝕性及抗氧化性能好;碳含量低,鎂碳磚的抗渣侵蝕性降低;碳含量為14%時,鎂碳磚的抗氧化性能最差。

作者簡介:李培(1989-),男,本科在讀;

1 前言

隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展,超低碳鋼的冶煉比率不斷增加。為解決傳統(tǒng)鎂碳磚熱損耗大及對鋼水的增碳問題,低碳鎂碳磚正逐漸成為人們研究的熱點(diǎn)[1-2]。但隨碳含量的降低,材料的高溫性能也下降,其中受影響最明顯的是材料熱震穩(wěn)定性和抗渣性降低。眾所周知,鎂碳磚中碳含量降低后,會使磚的熱導(dǎo)率下降,彈性模量增大,從而使磚熱震穩(wěn)定性變差;另外,碳含量降低后,還會使熔渣及鋼水與材料的潤濕性增強(qiáng),材料抗渣及鋼水的滲透性變差[3]。近些年,在日本,應(yīng)用納米技術(shù)的低碳鎂碳磚已經(jīng)有較大的發(fā)展[4-6]。本文主要研究不同碳含量對鎂碳磚性能的影響,制備低碳鎂碳磚,為冶煉不同鋼種提供了可靠的選擇,減少鎂碳磚對環(huán)境的污染,并使資源得到有效的利用。

2 實(shí)驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)以97%Mg O電熔鎂砂、<196μm鱗片石墨和鋁粉為原料,采用液態(tài)熱固性酚醛樹脂作為結(jié)合劑。按表1的配方進(jìn)行配料。先將加入樹脂的骨料濕混1~2min,然后加入細(xì)粉混煉約40min,混好的物料置于密封袋中睏料12h,以單位面積0.2MPa的壓力成型,制成準(zhǔn)50mm×50mm的圓柱狀試樣和25mm×40mm×130mm的條狀試樣。成型后的試樣于200℃下干燥24h。

表1 實(shí)驗(yàn)配方/%

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖1顯示的是碳含量變化對試樣體積密度和氣孔率的影響。

圖1 不同碳含量對鎂碳磚試樣體積密度和氣孔率的影響

由圖1可見:試樣的體積密度隨碳含量的增加整體呈下降趨勢,在碳含量為4%時,達(dá)到最大值3.13g·cm-3;碳含量在6%~10%之間時,隨碳含量的增加體積密度變化不明顯;當(dāng)碳含量>10%時,體積密度顯著下降。隨碳含量的增加,試樣顯氣孔率出現(xiàn)增大的現(xiàn)象,當(dāng)碳含量為4%時,達(dá)到最小值;當(dāng)碳含量>10%時,試樣的顯氣孔率顯著增加。

圖2 不同碳含量對鎂碳磚試樣耐壓強(qiáng)度和高溫抗折強(qiáng)度的影響

圖2顯示的是碳含量變化對試樣常溫耐壓強(qiáng)度和高溫抗折強(qiáng)度的影響。將實(shí)驗(yàn)樣品切成尺寸為130mm×25mm×25mm的試樣,按國標(biāo)GB/T22589-2008檢測高溫抗折強(qiáng)度。

由圖2可見:隨碳含量增加試樣的常溫耐壓強(qiáng)度降低;不含碳的試樣耐壓強(qiáng)度最大,達(dá)112.1MPa;碳含量在2%~6%時,隨碳含量的增加試樣的耐壓強(qiáng)度變化不明顯;當(dāng)碳含量>6%時,試樣的耐壓強(qiáng)度顯著下降。鎂碳磚的高溫抗折強(qiáng)度是一項(xiàng)很重要的性能,如果高溫抗折強(qiáng)度大,那么抵抗因溫度梯度產(chǎn)生的剪應(yīng)力就越大,制品在使用時不易產(chǎn)生剝落現(xiàn)象,高溫抗折強(qiáng)度大的制品也會提高其抵抗物料的撞擊和磨損的能力,增強(qiáng)抗渣性。由圖2還可見,隨碳含量的增加,鎂碳磚試樣的高溫抗折強(qiáng)度出現(xiàn)折線變化,含碳2%的鎂碳磚試樣的高溫抗折強(qiáng)度最大,為8.90MPa;含碳4%的鎂碳磚試樣的高溫抗折強(qiáng)度最小,達(dá)7.77MPa;碳含量在6%~18%時,鎂碳磚試樣的高溫抗折強(qiáng)度隨碳含量的增加,呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

鎂碳磚在使用過程中,受環(huán)境溫度的急劇變化,熱震穩(wěn)定性也發(fā)生改變。實(shí)驗(yàn)于1 100℃3次水冷后按式(1)測定其抗折強(qiáng)度損失率。以抗折強(qiáng)度損失率的大小作為試樣熱震穩(wěn)定性好壞的標(biāo)志。圖3顯示的是不同碳含量對鎂碳磚試樣熱震穩(wěn)定性的影響。

圖3 不同碳含量對鎂碳磚試樣熱震穩(wěn)定性的影響

由圖3可見:隨碳含量增加,試樣熱震后抗折強(qiáng)度損失率先降低再增大。1#試樣的抗折強(qiáng)度損失率最大,5#試樣的抗折強(qiáng)度損失率最小。當(dāng)碳含量>14%時,由于試樣表面碳氧化,導(dǎo)致試樣表面剝落現(xiàn)象嚴(yán)重,出現(xiàn)明顯的掉渣剝落現(xiàn)象。而含碳2%、4%、6%的試樣熱震后剝落現(xiàn)象并不明顯。由于碳含量少,鎂碳磚試樣隨著溫度的升降,產(chǎn)生膨脹或收縮,在材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力,出現(xiàn)了熱應(yīng)力破壞,導(dǎo)致熱震后抗折強(qiáng)度損失率增大。

在使用過程中鎂碳磚的蝕損主要是由于石墨氧化,在原來石墨的位置形成氣孔,鋼液、渣等沿氣孔進(jìn)入鎂碳磚,侵蝕磚體。于1 600℃保溫3h的鎂碳磚抗氧化照片示于圖4。

圖4 不同碳含量鎂碳磚抗氧化照片

圖5顯示的是不同碳含量的鎂碳磚試樣按式(2)計(jì)算的氧化率。

圖5 不同碳含量鎂碳磚的氧化率

由圖4、圖5可見:7#試樣氧化最嚴(yán)重,其次是1#、2#和8#試樣,7#和8#試樣表面由于碳的氧化,表面疏松多孔,從而使鋼渣容易滲透,侵蝕加劇。當(dāng)碳含量在4%~10%時,從抗氧化照片上看,氧化層厚度相差不多,氧化率基本相同,試樣脫碳層的表面比較致密,提高了材料的抗氧化性能,碳含量的改變對鎂碳磚的氧化影響不明顯?？梢哉J(rèn)為,碳含量過多或過少均不利于鎂碳磚的抗氧化性能。

同時鎂碳磚在使用過程中,熔渣侵蝕會導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)剝落并加速磚的溶解蝕損過程。當(dāng)鎂碳磚在使用中與熔渣接觸時,熔渣向磚的內(nèi)部侵入和磚成分向熔渣中的溶解成為鎂碳磚損毀的重要原因。在鎂碳磚內(nèi)放入熔渣進(jìn)行抗渣試驗(yàn),渣成分列于表2。

表2 熔渣的化學(xué)成分

圖6顯示的是試樣于1 600℃,3h的抗渣試驗(yàn)照片。

圖6 不同碳含量鎂碳磚的渣侵照片

由圖6a可見,渣沿著方鎂石晶界滲入制品內(nèi)部,在侵蝕層表面有少量石墨,侵蝕層表面結(jié)構(gòu)疏松,氣孔率高。由圖6b可見,4#試樣幾乎不沾渣,看不到脫碳層,在侵蝕層骨料與基質(zhì)被渣液少量侵蝕,表面顆粒有脫落現(xiàn)象,基質(zhì)中方鎂石晶粒長大,方鎂石晶粒之間被硅酸鹽相填充,阻礙渣液繼續(xù)侵入,抗渣侵蝕能力較強(qiáng)。由圖6c可見,5#試樣石墨大量剩余且分布不均勻,渣液侵蝕基質(zhì)。由圖6d可見,6#試樣渣液同時侵蝕基質(zhì)和骨料,反應(yīng)處的方鎂石顆粒碎裂,在反應(yīng)界面處形成大量氣孔,渣液沿氣孔侵入試樣內(nèi)部,造成制品抗渣侵蝕能力低。由圖6e可見,7#試樣表面形成脫碳層,方鎂石長大,氣孔率高。由圖6f可見,8#試樣沒形成脫碳層,反應(yīng)層中有少量石墨存在。碳含量高的鎂碳磚有利于抗渣侵蝕,但碳含量高的試樣由于石墨氧化,試樣表面形成脫碳層,造成試樣損毀。

4 結(jié)論

(1) 隨著碳含量增加,鎂碳磚的體積密度、耐壓強(qiáng)度降低。

(2) 碳含量在6%~8%時,鎂碳磚的高溫抗折強(qiáng)度、熱震穩(wěn)定性、抗渣性及抗氧化性能最好。碳含量低,鎂碳磚抗渣侵蝕性能降低。碳含量為14%的鎂碳磚抗氧化性能最差。

(3)對于冶煉低碳鋼應(yīng)選擇碳含量在6%~8%的鎂碳磚。（中國知網(wǎng)）