摘    要：對國內(nèi)某鋼廠210 t精煉鋼包在高精煉比冶煉模式下的渣線MgO-C磚損毀機(jī)制進(jìn)行了分析。為提高MgO-C磚使用壽命，以97級電熔鎂砂顆粒和細(xì)粉、鱗片石墨、抗氧化劑和酚醛樹脂為原料制備了w（C）=14%的鎂碳磚。研究以不同量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、3%、6%）的富鎂尖晶石微粉等量替代電熔鎂砂細(xì)粉對試樣物理性能、抗氧化性、抗渣性等的影響。結(jié)果表明：與未添加富鎂尖晶石微粉試樣相比，添加3%（w）富鎂尖晶石微粉時，試樣的力學(xué)性能、抗氧化性能和高溫抗折強(qiáng)度都有明顯提升，線膨脹率有一定下降；但隨著富鎂尖晶石微粉含量增加至6%（w），試樣的綜合性能呈現(xiàn)下降趨勢。將加入3%（w）富鎂尖晶石微粉的鎂碳磚應(yīng)用在鋼包渣線上，在高精煉比冶煉工況條件下，鎂碳磚“饅頭狀”和豎縫等問題得到明顯改善。

鎂碳磚以其優(yōu)異的抗熱震性、抗渣侵蝕和滲透性等而被廣泛應(yīng)用于鋼包渣線部位。近年來，隨著潔凈鋼和高品質(zhì)鋼種冶煉的需求，以及國內(nèi)鋼廠推行“低鐵耗、大廢鋼比”的冶煉模式，導(dǎo)致鋼包爐外精煉（LF、RH等處理方式）比例大幅度上升。尤其是近年來鋼水冶煉過程中廢鋼比例增加，大幅度降低了鋼水溫度。為了達(dá)到鋼種冶煉要求，鋼包LF加熱精煉時間長，處理強(qiáng)度大，且在精煉過程中熔渣和鋼水在鋼包內(nèi)的翻滾加劇，從而對渣線鎂碳磚的耐沖刷、熱膨脹性、抗侵蝕性等提出了很高的要求[1,2,3,4,5,6,7,8]。

精煉鋼包渣線鎂碳磚使用過程中主要有以下問題：侵蝕熔損、“饅頭狀”熔損、橫縫或豎縫、結(jié)構(gòu)性剝落等。在本文中，通過分析國內(nèi)某鋼廠精煉鋼包渣線鎂碳磚的損毀機(jī)制，在碳含量（w）為14%的鎂碳磚中引入不同含量的富鎂尖晶石微粉，研究其對鎂碳磚的物理性能、抗氧化性、抗渣性及高溫?zé)崤蛎浶阅艿挠绊?，為解決鎂碳磚在使用過程中出現(xiàn)的問題提供理論和實踐指導(dǎo)。

1 高精煉比模式下鎂碳磚損毀機(jī)制

以國內(nèi)某鋼廠210 t精煉鋼包為例，采用高精煉比冶煉模式，LF和RH平均比例分別在60%和30%以上，其中LF加熱時間長，處理強(qiáng)度大，同時鋼水中游離氧含量較高。該鋼包渣線鎂碳磚小修下線后存在“饅頭狀”和豎縫現(xiàn)象，磚縫處凹陷深度最高達(dá)到30～40 mm。

鋼包精煉后鋼渣的主要化學(xué)組成（w）為：CaO 55.54%，Al2O3 29.13%，SiO2 7.82%，MgO 5.40%，Fe2O3 1.00%，MnO2 0.24%?？梢钥闯觯撛饕瘜W(xué)成分為CaO和Al2O3，其質(zhì)量比為1.91，其次還含有相對較低含量的SiO2和MgO。從CaO-Al2O3-SiO2三元相圖[9]可知，在此渣系中容易形成低熔點(diǎn)鈣鋁酸鹽復(fù)合物，如C12A7、CAS2等，產(chǎn)生較大膨脹，使熱態(tài)下磚縫與磚縫之間的熱應(yīng)力增大，從而加劇對渣線鎂碳磚的侵蝕和滲透。

圖1為用后鎂碳磚熱端面的SEM照片。可以看出，鎂碳磚熱端面表面存在渣反應(yīng)滲透層，其后存在碳氧化層，厚度為500 μm左右。原磚層中鱗片石墨氧化不明顯，金屬抗氧化劑全部發(fā)生反應(yīng)，在基質(zhì)中原位形成尖晶石相，產(chǎn)生膨脹，并伴隨有孔洞形成，導(dǎo)致鎂碳磚基質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，降低其抗氧化性和抗渣滲透性。

圖1 用后鎂碳磚熱端面的SEM照片   

1—反應(yīng)滲透層；2—氧化層；3—原磚層；4—電熔鎂砂；5—鱗片石墨；6—原位尖晶石相。

2 試驗

2.1 原料

試驗的主要原料為：97級電熔鎂砂，w（MgO）>97.00%，粒度為5~3、3~1、≤1和≤0.088 mm；鱗片石墨，w（C）>94.00%，粒度為≤0.147和≤0.088 mm；采用燒結(jié)法工藝自制富鎂尖晶石微粉（化學(xué)組成、物相組成及粒度見表1）；抗氧化劑（Al粉+Si粉，粒度為≤0.088 mm，w（Al）和w（Si）均>97.00%）和液態(tài)酚醛樹脂結(jié)合劑。

表1 富鎂尖晶石微粉的化學(xué)組成、物相組成及粒度 

2.2 試樣制備

表2示出了鎂碳磚試樣配比。按表2配料，依次將骨料、酚醛樹脂、鱗片石墨、細(xì)粉（微粉）加入濕碾機(jī)中，混練40~50 min后，在500 kN摩擦壓力機(jī)上壓制成230 mm×114 mm×65 mm的標(biāo)磚試樣，在隧道窯中于180 ℃保溫10 h進(jìn)行固化。冷卻后切割成Φ50 mm×50 mm、50 mm×50 mm×50 mm、Φ10 mm×50 mm和25 mm×25 mm×125 mm的試樣以及外形尺寸為70 mm×70 mm、孔芯尺寸為Φ40 mm×40 mm的坩堝試樣，于110 ℃干燥24 h，再在埋焦炭氣氛中分別經(jīng)1 000 和1 600 ℃保溫3 h，然后自然冷卻。

2.3 性能檢測

按GB/T 2997?2000檢測試樣烘后和熱處理后的顯氣孔率和體積密度，按GB/T 5072?2008檢測試樣烘后和熱處理后的常溫耐壓強(qiáng)度，按GB/T 5988?2007檢測試樣熱處理后的加熱永久線變化率，按GB/T 3002?2017檢測試樣熱處理后在埋炭（焦炭）氣氛下于1 400 ℃保溫0.5 h的高溫抗折強(qiáng)度。

將尺寸為50 mm×50 mm×50 mm的烘干后試樣在電爐中以4 ℃·min-1的升溫速率從室溫分別升高至1 000 和1 600 ℃并保溫3 h，冷卻后測量試樣的質(zhì)量損失率和試樣剖面的氧化層深度，以表征試樣的抗氧化性能。

將60 g自配渣（化學(xué)組成同鋼渣）裝入干燥后坩堝試樣中，于1 600 ℃熱處理3 h后，沿坩堝內(nèi)孔中心軸切開，以渣侵蝕深度和寬度表征試樣的抗渣性能。

在還原氣氛中，采用升溫速率為5 ℃·min-1條件下，測試烘干后的試樣從室溫上升至1500 ℃過程中的高溫線膨脹性能。

3 結(jié)果與分析

3.1 常規(guī)物理性能

表3示出了試樣的常規(guī)物理性能。可以看出：對于烘干后試樣，與試樣J相比，試樣J1和J2顯氣孔率略低，體積密度略高，耐壓強(qiáng)度較為接近。對于1 000 和1 600 ℃埋炭熱處理后試樣，試樣J1和J2的顯氣孔率相對試樣J的仍略低，體積密度略高，常溫耐壓強(qiáng)度明顯升高，且試樣J1和J2的常溫耐壓強(qiáng)度相差不大。經(jīng)1 000 和1 600 ℃熱處理后，試樣J1的線變化率最?。煌瑫r，試樣J1的高溫抗折強(qiáng)度最高。這是因為在鎂碳磚中引入富鎂尖晶石微粉，有利于提高材料的致密度從而增強(qiáng)其強(qiáng)度。當(dāng)富鎂尖晶石加入量（w）為3%時，試樣的膨脹率減小，強(qiáng)度增大，隨著加入量增加至6%（w），試樣的膨脹率增大，強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢。

表3 試樣的常規(guī)物理性能 

3.2 抗氧化性能

試樣經(jīng)抗氧化試驗后的質(zhì)量損失率和氧化層厚度見表4?？梢钥闯觯航?jīng)1 000 和1 600 ℃熱處理后，試樣J質(zhì)量損失率和氧化層厚度最大，試樣J1質(zhì)量損失率和氧化層厚度最小，說明引入富鎂尖晶石能促進(jìn)材料基質(zhì)燒結(jié)，從而改善其高溫抗氧化性。

3.3 抗渣性能

圖2示出了抗渣試驗后坩堝試樣的剖面照片?？梢钥闯觯涸嚇?/span>J、J1和J2抗渣試驗后的侵蝕深度分別為0.6、0.4、0.4 mm，侵蝕寬度分別為1.4、1.1、1.3 mm，試樣的抗渣性比較接近。

圖2 坩堝試樣抗渣試驗后剖面照片  

3.4 高溫線膨脹性能

烘干后試樣在還原氣氛下從室溫上升至1 500 ℃時的高溫線膨脹率如圖3所示?？梢钥闯?，與試樣J1相比，試樣J2和J3的高溫線膨脹率要相對略小。

圖3 試樣從室溫上升至1 500 ℃的高溫線膨脹率   

3.5 分析討論

在鎂碳磚中采用富鎂尖晶石微粉替代鎂砂細(xì)粉，可以起到以下效果：1）微米級富鎂尖晶石粉能夠改善材料基質(zhì)內(nèi)填充效果，提高其致密度和常規(guī)物理性能；2）富鎂尖晶石微粉反應(yīng)活性較高，能改善基質(zhì)燒結(jié)性能，抵消部分材料使用過程中產(chǎn)生的膨脹，從而降低其高溫膨脹率，提高高溫抗氧化性；3）富鎂尖晶石微粉在某種程度上能隔離金屬抗氧化劑與鎂砂細(xì)粉，減小材料使用過程中生成二次尖晶石、橄欖石等陶瓷相引起的劇烈反應(yīng)膨脹。當(dāng)富鎂尖晶石微粉加入量（w）從3%增加至6%時，推測材料基質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)局部團(tuán)聚，導(dǎo)致材料性能下降。

4 應(yīng)用

將加入3%（w）鎂鋁尖晶石細(xì)粉的鎂碳磚應(yīng)用于國內(nèi)多家大型鋼廠鋼包上，效果良好。例如，A鋼廠250 t鋼包（主要冶煉硅鋼、汽車板、鍍錫板等）渣線鎂碳磚的平均使用壽命由原來的80~85爐次提升至85~90爐次；在高精煉比冶煉工況條件下，LF精煉比例在60%以上，B鋼廠210 t鋼包（主要冶煉低碳鋼、普碳鋼、鍋爐鋼、低合金鋼等）渣線鎂碳磚使用壽命由原先的85~90爐次提升至90~95爐次。此外，鎂碳磚在使用過程中出現(xiàn)“饅頭狀”和豎縫等問題得到明顯改善，大修下線后外觀平整，大幅度提高了鋼包運(yùn)行的安全性。

5 結(jié)論

（1） 在鎂碳磚中添加富鎂尖晶石微粉能改善材料基質(zhì)內(nèi)填充效果，提高材料致密度和強(qiáng)度，降低其加熱永久線變化和高溫線膨脹率。當(dāng)富鎂尖晶石微粉的加入量為3%（w）時，材料的綜合性能最佳。

（2） 將加入3%（w）富鎂尖晶石微粉的鎂碳磚應(yīng)用在鋼包渣線上，在高精煉比冶煉工況條件下，鎂碳磚“饅頭狀”和豎縫等問題得到明顯改善，使用壽命和安全性得到大幅度提升。