转炉出钢口耐火材料的损毁机理
2025-02-11 17:27:20 点击：
转炉出钢口耐火材料的损毁机理是一个多因素耦合的复杂过程，主要涉及热应力作用、化学侵蚀、机械磨损及操作条件等多方面因素的综合影响。以下是详细的机理分析：
1.热应力作用
1.1温度波动
高温冲击：出钢时钢水温度高达1600℃以上，耐火材料表面迅速升温，而内部温度梯度导致热膨胀差异，产生内应力。
冷却阶段：出钢结束后，温度骤降（如暴露于冷空气或喷补材料），耐火材料收缩不均，导致表面裂纹扩展。
循环热应力：频繁的冷热交替（每日数十次）导致材料疲劳，加速裂纹形成。
1.2碳氧化与结构劣化
碳组分氧化：镁碳砖中的石墨在氧气或FeO存在下氧化为CO/CO₂，导致材料孔隙率增加，热导率下降，抗热震性降低。
热导率失衡：碳流失后，镁砂颗粒间的结合减弱，材料整体热导率下降，加剧温度梯度带来的应力集中。
2.化学侵蚀
2.1炉渣与钢水反应
低熔点相生成：炉渣中的FeO、CaO、SiO₂与耐火材料的MgO反应，生成钙镁橄榄石（CMS）、镁蔷薇辉石（C3MS2）等低熔点相（熔融温度B[形成反应层]
B>C[热膨胀差异]
C>D[层状剥落]
2.2氧化性气氛影响
金属相氧化：钢水中的Fe、Mn等金属元素氧化生成FeO、MnO，与MgO反应生成低熔点化合物。
抗氧化剂失效：镁碳砖中添加的Al、Si等抗氧化剂消耗殆尽后，碳氧化速率显著提升。
3.机械磨损与冲击
3.1钢水冲刷
高速流动剪切力：出钢时钢水流速可达25m/s，对出钢口内壁形成持续剪切作用，导致表面磨损。
固相颗粒磨损：钢水夹带的未熔炉料、脱氧产物等硬质颗粒（如Al₂O₃、MgO·Al₂O₃）加剧磨蚀。
3.2机械振动与应力
转炉倾动冲击：转炉倾动出钢时，耐火材料承受周期性机械振动，导致微裂纹扩展。
结构应力集中：出钢口砖体接缝处因膨胀缝设计不当，成为应力集中点，加速局部损毁。
4.操作与维护因素
4.1操作参数影响
出钢时间过长：延长高温暴露时间，加速热侵蚀和碳氧化。
出钢角度不当：钢水流向偏离设计路径，导致局部过度冲刷。
4.2维护措施不足
喷补不及时：未定期采用镁质喷涂料修复表面侵蚀层，导致损毁深度扩大。
热态修补效果差：冷态修补材料与原砖体热膨胀不匹配，易脱落。
5.耐火材料自身因素
|因素、影响机制
|原料纯度，MgO含量低时，杂质相（如CaO/SiO₂）增多，降低抗渣性。
|石墨含量，石墨含量过低（20%）则抗氧化性不足。
|结合剂类型，酚醛树脂碳化后形成的残碳网络强度不足时，易发生结构崩解。
|微观结构均匀性，气孔分布不均或骨料基质结合弱化区域成为侵蚀优先通道。
6.损毁过程动态模拟
以镁碳砖为例，其损毁过程可归纳为以下阶段：
1.初始阶段：表面碳氧化，形成多孔层。
2.渗透阶段：炉渣渗入多孔层，与MgO反应生成低熔点相。
3.剥落阶段：热循环导致反应层与本体分离，发生剥落。
4.加速损毁：新鲜表面暴露，上述过程循环加速。
改进方向
1.材料优化：开发高纯度镁砂、纳米碳复合增强的镁碳砖。
2.结构设计：采用整体预制出钢口替代砌筑结构，减少接缝。
3.工艺控制：优化出钢时间与角度，减少高温暴露和偏流冲刷。
4.智能监测：植入温度/应力传感器，实现损毁预警与维护。
以上机理分析表明，转炉出钢口耐火材料的损毁是多重物理化学过程耦合的结果，需通过材料结构工艺协同优化提升使用寿命。
