摘要:研究了碳含量的变化对镁碳砖抗渣侵蚀性、抗氧化性能、高温抗折强度和热震稳定性的影响。研究结果表明:随碳含量增加,镁碳砖的体积密度、耐压强度降低;碳含量在6%8%时,镁碳砖的高温抗折强度、热震稳定性、抗渣侵蚀性及抗氧化性能好;碳含量低,镁碳砖的抗渣侵蚀性降低;碳含量为14%时,镁碳砖的抗氧化性能最差。

作者简介:李培(1989-),男,本科在读;

1 前言

随着钢铁工业的发展,超低碳钢的冶炼比率不断增加。为解决传统镁碳砖热损耗大及对钢水的增碳问题,低碳镁碳砖正逐渐成为人们研究的热点[1-2]。但随碳含量的降低,材料的高温性能也下降,其中受影响最明显的是材料热震稳定性和抗渣性降低。众所周知,镁碳砖中碳含量降低后,会使砖的热导率下降,弹性模量增大,从而使砖热震稳定性变差;另外,碳含量降低后,还会使熔渣及钢水与材料的润湿性增强,材料抗渣及钢水的渗透性变差[3]。近些年,在日本,应用纳米技术的低碳镁碳砖已经有较大的发展[4-6]。本文主要研究不同碳含量对镁碳砖性能的影响,制备低碳镁碳砖,为冶炼不同钢种提供了可靠的选择,减少镁碳砖对环境的污染,并使资源得到有效的利用。

2 实验过程

本实验以97%Mg O电熔镁砂、<196μm鳞片石墨和铝粉为原料,采用液态热固性酚醛树脂作为结合剂。按表1的配方进行配料。先将加入树脂的骨料湿混1~2min,然后加入细粉混炼约40min,混好的物料置于密封袋中睏料12h,以单位面积0.2MPa的压力成型,制成准50mm×50mm的圆柱状试样和25mm×40mm×130mm的条状试样。成型后的试样于200℃下干燥24h。

表1 实验配方/%

3 实验结果分析

图1显示的是碳含量变化对试样体积密度和气孔率的影响。

图1 不同碳含量对镁碳砖试样体积密度和气孔率的影响

由图1可见:试样的体积密度随碳含量的增加整体呈下降趋势,在碳含量为4%时,达到最大值3.13g·cm-3;碳含量在6%~10%之间时,随碳含量的增加体积密度变化不明显;当碳含量>10%时,体积密度显著下降。随碳含量的增加,试样显气孔率出现增大的现象,当碳含量为4%时,达到最小值;当碳含量>10%时,试样的显气孔率显著增加。

图2 不同碳含量对镁碳砖试样耐压强度和高温抗折强度的影响

图2显示的是碳含量变化对试样常温耐压强度和高温抗折强度的影响。将实验样品切成尺寸为130mm×25mm×25mm的试样,按国标GB/T22589-2008检测高温抗折强度。

由图2可见:随碳含量增加试样的常温耐压强度降低;不含碳的试样耐压强度最大,达112.1MPa;碳含量在2%~6%时,随碳含量的增加试样的耐压强度变化不明显;当碳含量>6%时,试样的耐压强度显著下降。镁碳砖的高温抗折强度是一项很重要的性能,如果高温抗折强度大,那么抵抗因温度梯度产生的剪应力就越大,制品在使用时不易产生剥落现象,高温抗折强度大的制品也会提高其抵抗物料的撞击和磨损的能力,增强抗渣性。由图2还可见,随碳含量的增加,镁碳砖试样的高温抗折强度出现折线变化,含碳2%的镁碳砖试样的高温抗折强度最大,为8.90MPa;含碳4%的镁碳砖试样的高温抗折强度最小,达7.77MPa;碳含量在6%~18%时,镁碳砖试样的高温抗折强度随碳含量的增加,呈现先减小后增大的趋势。

镁碳砖在使用过程中,受环境温度的急剧变化,热震稳定性也发生改变。实验于1 100℃3次水冷后按式(1)测定其抗折强度损失率。以抗折强度损失率的大小作为试样热震稳定性好坏的标志。图3显示的是不同碳含量对镁碳砖试样热震稳定性的影响。

图3 不同碳含量对镁碳砖试样热震稳定性的影响

由图3可见:随碳含量增加,试样热震后抗折强度损失率先降低再增大。1#试样的抗折强度损失率最大,5#试样的抗折强度损失率最小。当碳含量>14%时,由于试样表面碳氧化,导致试样表面剥落现象严重,出现明显的掉渣剥落现象。而含碳2%、4%、6%的试样热震后剥落现象并不明显。由于碳含量少,镁碳砖试样随着温度的升降,产生膨胀或收缩,在材料内部产生应力,出现了热应力破坏,导致热震后抗折强度损失率增大。

在使用过程中镁碳砖的蚀损主要是由于石墨氧化,在原来石墨的位置形成气孔,钢液、渣等沿气孔进入镁碳砖,侵蚀砖体。于1 600℃保温3h的镁碳砖抗氧化照片示于图4。

图4 不同碳含量镁碳砖抗氧化照片

图5显示的是不同碳含量的镁碳砖试样按式(2)计算的氧化率。

图5 不同碳含量镁碳砖的氧化率

由图4、图5可见:7#试样氧化最严重,其次是1#、2#和8#试样,7#和8#试样表面由于碳的氧化,表面疏松多孔,从而使钢渣容易渗透,侵蚀加剧。当碳含量在4%~10%时,从抗氧化照片上看,氧化层厚度相差不多,氧化率基本相同,试样脱碳层的表面比较致密,提高了材料的抗氧化性能,碳含量的改变对镁碳砖的氧化影响不明显。可以认为,碳含量过多或过少均不利于镁碳砖的抗氧化性能。

同时镁碳砖在使用过程中,熔渣侵蚀会导致其结构剥落并加速砖的溶解蚀损过程。当镁碳砖在使用中与熔渣接触时,熔渣向砖的内部侵入和砖成分向熔渣中的溶解成为镁碳砖损毁的重要原因。在镁碳砖内放入熔渣进行抗渣试验,渣成分列于表2。

表2 熔渣的化学成分

图6显示的是试样于1 600℃,3h的抗渣试验照片。

图6 不同碳含量镁碳砖的渣侵照片

由图6a可见,渣沿着方镁石晶界渗入制品内部,在侵蚀层表面有少量石墨,侵蚀层表面结构疏松,气孔率高。由图6b可见,4#试样几乎不沾渣,看不到脱碳层,在侵蚀层骨料与基质被渣液少量侵蚀,表面颗粒有脱落现象,基质中方镁石晶粒长大,方镁石晶粒之间被硅酸盐相填充,阻碍渣液继续侵入,抗渣侵蚀能力较强。由图6c可见,5#试样石墨大量剩余且分布不均匀,渣液侵蚀基质。由图6d可见,6#试样渣液同时侵蚀基质和骨料,反应处的方镁石颗粒碎裂,在反应界面处形成大量气孔,渣液沿气孔侵入试样内部,造成制品抗渣侵蚀能力低。由图6e可见,7#试样表面形成脱碳层,方镁石长大,气孔率高。由图6f可见,8#试样没形成脱碳层,反应层中有少量石墨存在。碳含量高的镁碳砖有利于抗渣侵蚀,但碳含量高的试样由于石墨氧化,试样表面形成脱碳层,造成试样损毁。

4 结论

(1) 随着碳含量增加,镁碳砖的体积密度、耐压强度降低。

(2) 碳含量在6%~8%时,镁碳砖的高温抗折强度、热震稳定性、抗渣性及抗氧化性能最好。碳含量低,镁碳砖抗渣侵蚀性能降低。碳含量为14%的镁碳砖抗氧化性能最差。

(3)对于冶炼低碳钢应选择碳含量在6%~8%的镁碳砖。（中国知网）