轉爐出鋼口耐火材料的損毀機理

轉爐出鋼口耐火材料的損毀機理是一個多因素耦合的復雜過程，主要涉及熱應力作用、化學侵蝕、機械磨損及操作條件等多方面因素的綜合影響。以下是詳細的機理分析：

 

1.熱應力作用

1.1溫度波動

高溫沖擊：出鋼時鋼水溫度高達1600℃以上，耐火材料表面迅速升溫，而內部溫度梯度導致熱膨脹差異，產生內應力。

冷卻階段：出鋼結束后，溫度驟降（如暴露于冷空氣或噴補材料），耐火材料收縮不均，導致表面裂紋擴展。

循環熱應力：頻繁的冷熱交替（每日數十次）導致材料疲勞，加速裂紋形成。

 

1.2碳氧化與結構劣化

碳組分氧化：鎂碳磚中的石墨在氧氣或FeO存在下氧化為CO/CO?，導致材料孔隙率增加，熱導率下降，抗熱震性降低。

熱導率失衡：碳流失后，鎂砂顆粒間的結合減弱，材料整體熱導率下降，加劇溫度梯度帶來的應力集中。

 

2.化學侵蝕

2.1爐渣與鋼水反應

低熔點相生成：爐渣中的FeO、CaO、SiO?與耐火材料的MgO反應，生成鈣鎂橄欖石（CMS）、鎂薔薇輝石（C3MS2）等低熔點相（熔融溫度B[形成反應層]

B>C[熱膨脹差異]

C>D[層狀剝落]

 

2.2氧化性氣氛影響

金屬相氧化：鋼水中的Fe、Mn等金屬元素氧化生成FeO、MnO，與MgO反應生成低熔點化合物。

抗氧化劑失效：鎂碳磚中添加的Al、Si等抗氧化劑消耗殆盡后，碳氧化速率顯著提升。

 

3.機械磨損與沖擊

3.1鋼水沖刷

高速流動剪切力：出鋼時鋼水流速可達25m/s，對出鋼口內壁形成持續剪切作用，導致表面磨損。

固相顆粒磨損：鋼水夾帶的未熔爐料、脫氧產物等硬質顆粒（如Al?O?、MgO·Al?O?）加劇磨蝕。

 

3.2機械振動與應力

轉爐傾動沖擊：轉爐傾動出鋼時，耐火材料承受周期性機械振動，導致微裂紋擴展。

結構應力集中：出鋼口磚體接縫處因膨脹縫設計不當，成為應力集中點，加速局部損毀。

 

4.操作與維護因素

4.1操作參數影響

出鋼時間過長：延長高溫暴露時間，加速熱侵蝕和碳氧化。

出鋼角度不當：鋼水流向偏離設計路徑，導致局部過度沖刷。

 

4.2維護措施不足

噴補不及時：未定期采用鎂質噴涂料修復表面侵蝕層，導致損毀深度擴大。

熱態修補效果差：冷態修補材料與原磚體熱膨脹不匹配，易脫落。

 

5.耐火材料自身因素

|因素、影響機制

|原料純度，MgO含量低時，雜質相（如CaO/SiO?）增多，降低抗渣性。

|石墨含量，石墨含量過低（20%）則抗氧化性不足。

|結合劑類型，酚醛樹脂碳化后形成的殘碳網絡強度不足時，易發生結構崩解。

|微觀結構均勻性，氣孔分布不均或骨料基質結合弱化區域成為侵蝕優先通道。

 

6.損毀過程動態模擬

以鎂碳磚為例，其損毀過程可歸納為以下階段：

1.初始階段：表面碳氧化，形成多孔層。

2.滲透階段：爐渣滲入多孔層，與MgO反應生成低熔點相。

3.剝落階段：熱循環導致反應層與本體分離，發生剝落。

4.加速損毀：新鮮表面暴露，上述過程循環加速。

 

改進方向

1.材料優化：開發高純度鎂砂、納米碳復合增強的鎂碳磚。

2.結構設計：采用整體預制出鋼口替代砌筑結構，減少接縫。

3.工藝控制：優化出鋼時間與角度，減少高溫暴露和偏流沖刷。

4.智能監測：植入溫度/應力傳感器，實現損毀預警與維護。

 

以上機理分析表明，轉爐出鋼口耐火材料的損毀是多重物理化學過程耦合的結果，需通過材料結構工藝協同優化提升使用壽命。