RH炉用耐火材料的使用环境极为恶劣，以前一般使用Cr2O3含量20%(w)以上的镁铬砖。由于对环保问题的重视，自1980年代以来，镁铬材料的生产和使用呈下降趋势，无铬材料成为研究热点。其中，Mg O-MA材料是最具前途的替代材料。渣和钢水的侵蚀是导致RH炉用耐火材料损毁的主要原因。Mg O-C材料在一定条件下可形成Mg O致密层，若能在RH炉用Mg O-MA材料表面形成致密层，则可提高其抗渣性能。在本工作中，以电熔镁砂、电熔尖晶石、金属铝和酚醛树脂为原料制成含有5%(w)金属Al的Mg O-MA-Al试样，研究其在密闭匣钵中于1 600℃保温5 h后的外观、相组成和显微结构，以及在氮气气氛中于1 600℃保温5 h条件下的抗钢渣侵蚀性。试验用原料有:电熔镁砂颗粒(5～3、3～1、≤1 mm)和细粉(≤0.074 mm)，电熔镁铝尖晶石粉(≤0.045 mm),Al粉(≤0.045 mm)，酚醛树脂。主要原料的化学组成见表1。按照表2的试验配方配料，机械搅拌20 min后，用1 000 t摩擦压砖机压制成240 mm×115 mm×65 mm的样坯，在110℃干燥24 h后，切割成60 mm×60 mm×60 mm的试样各两组。
将一组试样置于刚玉-莫来石匣钵中，加盖密封后放入高温试验炉中，以5℃·min-1速率升温至1600℃保温5 h，冷却后观察试样的表面和剖面，采用X’pert powder型X射线衍射仪分析试样的物相组成(工作电压40 k V，工作电流40 m A,Cu靶，Kα射线，步长0.013°，扫描时间2 min，扫描范围为10°～90°)，采用X-3500N型扫描电镜观察试样的显微结构。在另一组试样上钻出25 mm×50 mm的盲孔，加入w (Ca O)=53.92%、w (Si O2)=29.27%、w(Mg O)=9.2%、w (Al2O3)=6%、w (Fe2O3)=0.47%、w (Ti O2)=0.2%、w (K2O)=0.01%、w(Na2O)=0.15%的钢渣30 g，放入气氛炉内，将炉内真空度抽至-0.095 MPa，然后通入工业氮气至0.01 MPa，再以5℃·min-1速率升温至1 600℃保温5 h，冷却后将坩埚切开观察其侵蚀情况。在密闭匣钵中于1 600℃保温5 h热处理后试样剖面的照片见图1。可以看出:试样M0和M5表面均出现氧化脱碳层，这是因为密闭匣钵内残存有一定量的空气;试样M5表面有白色絮状物质，而试样M0表面则没有。
图1 在密闭匣钵中于1 600℃保温5 h热处理后试样M0和M5的剖面照片
对试样M5表面的白色絮状物质进行了XRD分析，结果见图2。可以看出，该白色絮状物质主要为方镁石，也有少量镁铝尖晶石。
图2 试样M5表面白色絮状物质的XRD图谱
在密闭匣钵中于1 600℃保温5 h热处理后，试样M5内部和外部的XRD图谱见图3。可以看出:试样M5的内部、外部均由方镁石、镁铝尖晶石和Al N多型体组成;对比发现，试样外部的Mg O特征衍射峰略高于内部的。
图3 在密闭匣钵中于1 600℃保温5 h热处理后试样M5内部和外部的XRD图谱及其局部放大
在密闭匣钵中于1 600℃保温5 h热处理后试样M0和M5的SEM照片见图4。可以看出:试样M0的颗粒与基质之间有缝隙，结合较差，见图4(a);试样M0基质中气孔较多，并且多为贯通状态，见图4(b);试样M5表层与内部的显微结构差异较大，似存在内外分层现象，见图4(c)。对比图4(d)和图4(e)发现，试样M5外部基质中的气孔较少，且多呈孤立状态;而内部基质中的气孔较多，且多呈贯通状态。图4(e)中微区3的EDS能谱图见图4 (f);图4中微区1、2、3的EDS分析结果见表3，分别为Mg O、MA、Mg Al ON。
图4 在密闭匣钵中于1 600℃保温5 h热处理后试样M0和M5的SEM照片
表3 图4中各微区的EDS分析结果
在工业氮气气氛中于1 600℃保温5 h进行抗渣试验后试样M0和M5的剖面照片见图5。可以看出:试样M0发生了明显的侵蚀，坩埚孔孔径扩大，孔壁凹凸不平;而试样M5未发生明显侵蚀，坩埚孔基本上保持原样。
图5 在氮气气氛中于1 600℃保温5 h进行抗渣试验后试样M0和M5的剖面照片
含有Mg O和C的材料，在一定温度以上且一定氧分压以下，Mg O与C反应生成Mg(g)和CO(g),Mg(g)向外扩散到氧分压更高的试样外层被重新氧化成Mg O沉积在孔隙中，形成所谓的Mg O致密层。在本试验中，在密闭匣钵中于1 600℃保温5 h热处理过程中，Mg O-MA-Al(实际上还含有少量C)试样中金属Al的存在使试样内部的氧分压降低，促进了Mg O向Mg(g)转化，从而促进Mg O致密层的形成，最终使试样内部疏松，外层致密。此外，直接扩散到试样外表的Mg(g)会与匣钵内氧分压较高的气体反应生成白色絮状Mg O。在氮气气氛中于1 600℃保温5 h进行抗渣试验的过程中，Mg O-MA-Al试样同样会在试样外层形成Mg O致密层，这导致试样的抗渣渗透性和抗渣侵蚀性提高。此外，试样M5中含有5%(w)的可塑性较大的金属Al，其成型致密度也比试样M0的高，这使得其起始抗渣渗透性就比试样M0的高。(1)在密闭匣钵中于1 600℃保温5 h热处理过程中，含有5%(w)金属Al的Mg O-MA-Al试样因强还原性单质Al的存在促进了Mg O向Mg(g)转化，从而促进Mg O致密层的形成，导致试样内部疏松，外层致密。(2)在氮气气氛中于1 600℃保温5 h进行抗渣试验的过程中，同样会发生试样外层致密化的过程。这使试样的抗渣渗透性和抗渣侵蚀性得到提高。
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