鎂鋁鋼包磚損毀機理研究

尚德禮

（鞍鋼集團鋼鐵研究院海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點實驗室，遼寧 鞍山114009）

隨著鋼鐵工業(yè)的迅速發(fā)展，鋼包不僅是盛裝鋼水的容器，還在鋼水精煉過程中擔負著重要作用，如噴粉、喂線、合金化、脫氣、脫碳等精煉工藝都轉(zhuǎn)移到鋼包中進行［1］。這使得鋼包的使用條件更加苛刻，工作環(huán)境更加惡劣。因此，與鋼水直接接觸的鋼包襯磚質(zhì)量直接影響精煉效果。目前，鋼包使用的鋼包磚以鎂鋁磚、鎂碳磚和鋁鎂碳磚為主。其中，鎂鋁磚具有生產(chǎn)成本低、不引起鋼液增碳、抗渣侵蝕和滲透能力強等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在鋼包內(nèi)襯結(jié)構(gòu)中［2-3］。尤其在生產(chǎn)超低碳鋼時，為防止鋼液增碳，采用具有鎂鋁磚內(nèi)襯的鋼包尤為重要。但是在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，鎂鋁磚有時過早出現(xiàn)裂紋、脫落現(xiàn)象，嚴重影響了鋼包的使用壽命。為了提高鎂鋁磚使用壽命，有必要對其損毀機理進行研究。本文采用實驗結(jié)合機理分析查明了鎂鋁磚損毀機理，并提出改進措施。

1 鎂鋁鋼包磚檢驗

1.1 宏觀斷口形貌

采用煉鋼廠常用的鎂鋁磚為研究對象，首先將大塊鋼包磚破碎，破碎過程中發(fā)現(xiàn)鋼包磚韌性較好，不易破碎，結(jié)構(gòu)非常緊密，說明此類型鎂鋁磚低溫性能優(yōu)良，在搬運、砌筑過程不易出現(xiàn)損壞問題。鋼包磚斷口形貌見圖1。由圖1的斷口宏觀形貌可以明顯看出，鋼包磚是由顆粒物與結(jié)合劑構(gòu)成。

圖1 鋼包磚斷口宏觀形貌

1.2 化學成分分析

采用化學分析法研究鋼包磚具體組分。首先將大塊鋼包磚的破碎物放入磨粉機中制粉，中途不篩分（由于鋼包磚由硬顆粒和粉狀填充物組成，如果篩分，將導致成分失真），最后采用化學方法分析細粉成分，鋼包磚化學成分見表1。

表1 鋼包磚化學成分（質(zhì)量分數(shù)） %

由表1可見，鋼包磚中Al2O3含量較高，達到80.11%；MgO含量較低，為6.02%，基本符合該類鎂鋁磚的標準要求。檢驗發(fā)現(xiàn)，鋼包磚中C含量非常低，僅為0.06%，可有效防止精煉過程鋼液增碳；鋼包磚中含有一定量的氯元素，平均含量為1.47%。通常煉鋼廠采購鋼包磚標準中對氯元素含量沒有限定，但是一般情況下氯化物熔點較低，沸點也較低，能否造成鋼包磚損毀還需進行實驗研究。

1.3 物相分析

由于化學方法不能分析具體物相，因此需采用衍射分析鋼包磚具體物相。將鎂鋁鋼包磚制備成粉末樣品，在Model X pert型X衍射儀（XRD）上進行物相分析。實驗條件為：管電壓為40 kV，電流為 30 mA，銅靶，掃描范圍 2θ=10～80°。鋼包磚物相組成如圖2所示。

圖2 鋼包磚物相組成

通過圖2分析可見，鋼包磚主要物相為Al2O3和 MgO，其中 Al2O3含量為 87%，MgO含量為10%。二者含量與化學分析結(jié)果存在一定誤差屬正?，F(xiàn)象，Xrd主要用于物相鑒定，含量測定屬半定量分析，因此成分含量還應(yīng)以化學檢驗結(jié)果為主。此外，Xrd無法鑒別痕跡物相，因此除Al2O3和MgO外的雜質(zhì)相無法鑒定。

1.4 電鏡分析

首先對鋼包磚切塊取樣，然后經(jīng)過研磨、噴碳后制備掃描電鏡試樣，采用掃描電鏡（SEM）分析試樣微觀形貌，并采用能譜儀（EDS）對試樣成分進行分析。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋼包磚主要由氧化鋁顆粒、氧化鎂顆粒和顆粒間的結(jié)合劑組成，鋼包磚中的氧化鋁顆粒形貌及能譜分析見圖3，鋼包磚中的氧化鎂顆粒形貌及能譜分析見圖4，氧化鋁和氧化鎂顆粒之間的結(jié)合劑形貌及能譜分析見圖5。

圖3 鋼包磚中的氧化鋁顆粒微觀形貌及能譜分析

圖4 鋼包磚中的氧化鎂顆粒形貌及能譜

圖5 氧化鋁和氧化鎂顆粒之間的結(jié)合劑形貌及能譜分析

掃描電鏡分析結(jié)果是鋼包磚中氧化鋁顆粒數(shù)量很多，占總顆粒數(shù)目的75%～85%，氧化鎂顆粒數(shù)量較少，僅占10%～18%，其余為氧化鋁和氧化鎂顆粒之間的結(jié)合劑。結(jié)合劑能譜分析結(jié)果見表2。成分分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)合劑中氯元素含量較高，達到了15.81%，遠高于鋼包磚平均氯元素含量，后者僅為1.47%，結(jié)合劑以外部分未檢測到氯元素，可見鋼包磚中氯元素都分布在結(jié)合劑中。

表2 結(jié)合劑能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)） %

2 高溫試驗

鋼包工作時，鋼包襯磚會與鋼渣發(fā)生復雜的物理化學反應(yīng)。高溫渣侵實驗可以研究鋼包長時間工作后鋼包磚物相組成及形貌變化情況。為了對熔渣與鋼包內(nèi)襯之間第一時間的反應(yīng)有一個比較深入的了解，采用靜態(tài)坩堝法進行熔渣侵蝕實驗。實驗方法為，將耐火材料制成小樣條直接鑲嵌到坩堝內(nèi)部的搗打料內(nèi)，裝入一定量的鋼液及爐渣，置于電爐中加熱到一定溫度后保溫一定時間，然后取出觀察侵蝕情況。

2.1 實驗過程

選用低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼渣，對鎂鋁磚進行侵蝕實驗，將300 g廢鋼加入爐中，加熱至廢鋼完全熔化，再加入50 g熔渣，并將溫度控制在1 600℃。待熔渣完全熔化后開始計時，保溫20 min后倒出鋼水及熔渣。待爐體緩冷到室溫時，取出試樣，進行拍照觀察，并利用SEM,EDS分析試樣顯微結(jié)構(gòu)及化學組成的變化，渣浸實驗示意圖見圖6，實驗用鋼渣化學成分及堿度見表3。

圖6 渣侵實驗示意圖

表3 實驗用鋼渣化學成分及堿度

2.2 實驗結(jié)果

圖7為鎂鋁磚形貌及縫隙部位能譜，由圖7可見，鋼包磚已經(jīng)出現(xiàn)了微裂紋，對微裂紋部位進行能譜分析，發(fā)現(xiàn)縫隙中Cl元素含量已經(jīng)非常低，僅為1.12%。對比實驗前后鎂鋁磚的體積密度可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過高溫鋼渣侵蝕后的鋼包磚體積密度明顯下降，實驗前為3.15 g/cm3，而經(jīng)過高溫侵蝕后降為2.8 g/cm3?？梢?，經(jīng)過高溫處理后，結(jié)合劑中的氯化鎂已經(jīng)消失，使得鋼包磚出現(xiàn)微裂紋。表4為鋼包磚縫隙部位能譜分析結(jié)果。

圖7 鋼包磚顆粒微觀形貌及縫隙部位能譜分析

表4 鋼包磚縫隙部位能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)） %

3 損毀機理分析

由上述實驗結(jié)果可以看出，經(jīng)過高溫實驗后，鎂鋁磚結(jié)合劑部位氯元素顯著降低，而氯化鎂又是有些鎂鋁磚采用的結(jié)合劑，因此，有必要分析氯化鎂的高溫反應(yīng)過程。

氯化鎂熱解過程的總反應(yīng)式是：

可以得到反應(yīng)過程的標準吉布斯自由能變化計算式為［4］：

根據(jù)文獻中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［5］，式（2）可以計算出，當反應(yīng)溫度高于800 K時，無水氯化鎂直接熱解反應(yīng)的吉布斯自由能小于零。而鋼水溫度肯定要大于800 K，因此可以判定在鋼水精煉過程中，鋼包磚內(nèi)部的氯化鎂將發(fā)生分解反應(yīng)，最終導致鋼包過早出現(xiàn)裂紋。由于渣線部位與空氣接觸，因此反應(yīng)式（1）中的O2主要來源于空氣。此外，即使沒有外來氧源，因為氯化鎂沸點較低，僅為1 412 ℃［6］，在鋼水精煉過程中，氯化鎂已達到沸點，隨著氯化鎂的消失，鎂鋁磚中氧化鋁和氧化鎂顆粒之間結(jié)合劑部位出現(xiàn)縫隙，導致磚體損毀。

結(jié)合劑在鋼包磚生產(chǎn)中起著重要作用，一方面保證鋼包磚具有較高的低溫強度，以避免生產(chǎn)過程中邊角的脫落，另外，還需防止結(jié)合劑選用或使用不當影響材料的高溫性能。氯化鎂是制備鋼包磚常見的廉價無機物粘結(jié)劑，氯化鎂要科學配比，否則會產(chǎn)生副作用。如果氯化鎂過量，雖然對鋼包磚低溫成型及強度影響相對不大，但是對鋼包磚高溫使用性能會產(chǎn)生惡劣影響。尤其是在鋼水精煉過程中，高溫鋼水足可以使氯化鎂分解，最終導致磚體過早出現(xiàn)裂紋、損毀，縮短鋼包使用壽命。鎂鋁鋼包磚所采用的結(jié)合劑種類較多，可以采用不含氯化鎂的結(jié)合劑，如鋁酸鈣水泥、鋁凝膠、SiO2微粉等結(jié)合劑。

4 結(jié)論

（1）鋼水精煉過程中，鎂鋁鋼包磚粘結(jié)劑中的氯化鎂在高溫鋼液的作用下會發(fā)生分解反應(yīng)，因此，鎂鋁磚中結(jié)合劑部位會出現(xiàn)縫隙，導致鎂鋁磚基體中的顆粒脫落，造成鋼包磚損毀。

（2）為了避免氯化鎂的高溫分解產(chǎn)生的危害，在制備鎂鋁鋼包磚時，一定要嚴格控制氯化鎂添加量，盡量延長鋼包磚的使用壽命。

（3）目前，鎂鋁鋼包磚所采用的結(jié)合劑種類較多，可以采用不含氯化鎂的結(jié)合劑，如鋁酸鈣水泥、鋁凝膠、SiO2微粉等結(jié)合劑。