鎂炭磚與鋼水反應(yīng)及其影響因素的研究

　　鎂碳質(zhì)耐火材料是重要的碳復(fù)合耐火材料。它廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐、電爐、鋼包渣線及一些精煉設(shè)備上。關(guān)于它與鋼的反應(yīng)及增碳作用進行過一些研究。Petschke等人曾研究了無添加劑鎂炭磚及添加抗氧化劑金屬鋁的鎂炭磚同兩種鋼鐵熔體的反應(yīng)。鎂炭磚的性能及鋼鐵的成分分別見表1及表2。

　　表1兩種鎂炭磚的性能

　　兩種鎂炭磚的性能

　　表2試驗鋼樣的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

　　試驗鋼樣的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

　　從鎂炭耐火材料制品中取截面積為20 mm ×20 mm的試樣， 分別在450℃和1100℃下碳化6 h。然后將試樣插入盛有1.7 kg 溶融鋼鐵的高純剛玉坩堝中(Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.7% )，插入的深度大約為5cm。剛玉坩堝放在真空感應(yīng)爐內(nèi)加熱至 1600℃，保溫時間為2〜5 h。用高純氬氣(Ar大于99.99% )作為保護氣體。在試驗過程中連續(xù)用石英真空吸管定時從祖禍中吸取鋼樣。然后對各鋼樣中的鋁、碳與氧含量進行分析。所得的鋼樣中的碳含量與耐火材料的浸泡時間的關(guān)系如圖1所示。

　　不同耐火材料在不同鋼樣中浸泡時間與鋼樣中碳含量的關(guān)系

　　圖1不同耐火材料在不同鋼樣中浸泡時間與鋼樣中碳含量的關(guān)系 推薦閱讀：高鋁磚的密度

　　1 —MgO-C-Al(450℃) / 阿姆柯鐵;2—MgO-C(450℃)/ 超低碳鋼; 3—MgO-C(450℃)/阿姆柯鐵;4_MgO-C-Al(1000℃)/阿姆柯鐵

　　由圖可以看出，鎂炭磚的熱處理溫度對其增碳作用有顯著影響。當(dāng)加抗氧化添加劑Al的鎂炭磚的處理溫度為450℃時，阿姆柯鐵水中的C含量隨耐火材料浸泡時間直線上升(直線1)。但同樣的鎂炭磚經(jīng)1100℃熱處理后，阿姆柯鐵水中的碳含量大幅度下降，而且僅僅在浸泡的初10〜20 min內(nèi)增碳量稍大，而后含碳量趨于穩(wěn)定(曲線4)。對于不含金屬鋁抗氧化劑、經(jīng)450℃處理的鎂炭磚，在阿姆柯鐵水中浸泡所引起的增碳量要小于其在超低碳鋼中浸泡相同時間所導(dǎo)致的增碳量。但是，對于這兩種金屬熔體，增碳都是在前10〜20 min內(nèi)進行。10〜20 min后金屬溶體中的碳含量幾乎不隨處理時間的延長而變化(曲線2與曲線3)。

　　圖2和圖3更進一步說明鋼種以及鎂炭磚的品種與處理溫度對鋼增碳的影響，由圖3- 4可見，對鋁鎮(zhèn)靜鋼與非脫氧鋼在初約5 min內(nèi)，鋼中的碳含量都迅速增大。兩者的碳含量相差不大。但5 min后，二者卻有很大的區(qū)別。對于非脫氧鋼，碳含量基本保持不變。即鎂炭磚不會再向非脫氧鋼中增碳。但對Al鎮(zhèn)靜 鋼在經(jīng)5 min左右的快速增碳之后，鋼中的碳含量仍隨鋼水與鎂炭磚接觸時間的延長而提高。由圖3-5中可以看出經(jīng)1500℃碳化后的耐火材料，無論是加金屬鋁或者Al2O3，對鋁鎮(zhèn)靜鋼的增碳量小。加金屬鋁經(jīng)低溫?zé)崽幚淼逆V炭磚造成的增碳量大。不加金屬鋁及加氧化鋁的鎂炭磚使鋁鎮(zhèn)靜鋼的增碳量都比較高。但大量增碳作用都發(fā)生在100min以前，100 min以后鎂炭磚的增碳作用幾乎停止，鋼水中的碳含量趨于穩(wěn)定。

　　對與阿姆柯鐵反應(yīng)后的未加抗氧化劑Al的鎂炭磚(450℃處理)的觀察發(fā)現(xiàn)脫碳層為200〜300 μm，鐵水未滲入耐火材料中，這是由于在鎂炭磚與鐵水的界面上形成了MgO致密層，阻止了鐵水向耐火材料中的滲透，也阻止了鎂炭磚中的碳熔解于鐵水中，如圖4所示。

　　鎂炭耐火材料與不同鋼水接觸時間與鋼中碳含量的關(guān)系(1600℃)

　　圖2鎂炭耐火材料與不同鋼水接觸時間與鋼中碳含量的關(guān)系(1600℃)

　　不同鎂炭磚與鋁鎮(zhèn)靜鋼接觸時間同鋼增碳量的關(guān)系(1600℃)

　　圖3不同鎂炭磚與鋁鎮(zhèn)靜鋼接觸時間同鋼增碳量的關(guān)系(1600℃)

　　在阿姆柯鐵中浸泡60min后MgO-C (450℃處理)中MgO致密層的形成

　　圖4在阿姆柯鐵中浸泡60min后MgO-C (450℃處理)中MgO致密層的形成

　　而對加抗氧化劑Al的鎂炭磚試樣(450℃處理)，在經(jīng)阿姆柯鐵試驗后在耐火材料與鐵水界面上未發(fā)現(xiàn)MgO致密層的形成。經(jīng)前5min試驗后即可形成800μm厚的鐵滲透層。并且初5min后，鐵滲透層的厚度與耐火材料放人阿姆柯鐵中的時間有以下線性關(guān)系：

　　h =900t+800 (3-14)

　　式中h——鐵水滲入深度，μm;

　　t—— 試驗放入阿姆柯鐵液中的時間，h。

　　同時，MgO-C磚(450℃處理)在ULC鋼中的試驗結(jié)果以及加Al的MgO-C磚(在1000℃處理)在阿姆柯鐵水中的試驗結(jié)果都與上述MgO-C磚在阿姆柯鐵水中試驗結(jié)果相似。即發(fā)現(xiàn)有不同厚度的MgO致密層存在，但無金屬熔體滲透層存在。金屬熔體中增碳量較少而且在較短時間內(nèi)即趨于穩(wěn)定。由此可見，鎂炭磚對金屬熔體中增碳作用與在耐火材料與金屬熔體界面上MgO致密層的形成及結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。

　　此外，無論經(jīng)450℃處理及1000℃處理的含Al的鎂炭磚試樣中均發(fā)現(xiàn)有鎂鋁尖晶石(MgO • Al2O3)生成。

　　除了鎂炭磚中的抗氧化添加物，熱處理條件以及鋼種等影響外，鎂炭磚中碳含量以及脫碳層的存在與否都會對增碳產(chǎn)生影響。 圖5及圖6分別給出3種不同碳含量鎂炭材料與鋼水接觸時間與鋼中碳含量的關(guān)系。所用耐火材料的化學(xué)成分見表3。對比圖5和圖6及表3可以得到以下結(jié)論：

　　表3試驗用鎂炭耐火材料的組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

　　試驗用鎂炭耐火材料的組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

　　不同碳含量的MgO-C材料與鋼水接觸時間對碳含量的影響

　　圖5 不同碳含量的MgO-C材料與鋼水接觸時間對碳含量的影響

　　(預(yù)處理條件：真空下，1200℃，10min)

　　不同碳含量的MgO-C材料與鋼水接觸時間對碳含量的影響

　　圖6 不同碳含量的MgO-C材料與鋼水接觸時間對碳含量的影響

　　(預(yù)處理條件：空氣中，1000℃，120min)

　　(1) 隨著與鋼水接觸時間延長，鋼中的碳含量增大。

　　(2) 鎂炭材料熱處理時的氣氛對增碳量有較大的影響。在真空條件下熱處理時，向鋼中的增碳量隨材料中的碳含量的提高而增大，而在空氣中熱處理的條件下，向鋼中的增碳量與材料中的碳含量無關(guān)。同時，在真空中熱處理時的增碳量大于在空氣中的增碳量。

　　產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是因為在空氣中熱處理時在鎂炭材料的表面生成一脫碳層，將碳與鋼水隔離。鋼水要通過脫碳層中的氣孔擴散到耐火材料內(nèi)部才能與碳接觸。當(dāng)擴散層達到一定厚度時，通過脫碳層的擴散成為增碳過程的控制因素，因而材料中的原始碳含量對它們向鋼的增碳過程已無顯著影響。當(dāng)在真空中熱處 理時，由于沒有形成脫碳層，耐火材料中碳含量高，鋼水與耐火材料接觸面積就大，它向鋼中的增碳作用越強。

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