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碳复合型耐火保温材料较适宜的碳含量设计构思

文章出处:未知 人气: 发表时间:2019-10-24 10:11
碳复合型耐火保温材料较适宜的碳含量设计构思,碳复合耐火材料蚀损受碳氧化和MgO向熔渣中熔出所控制,即碳含量提高减轻了由于熔渣侵蚀所造成的损毁,但也增加了由于氧化所造成的失碳。因此认为,适当增加碳含量能使两者保持平衡并在这一区域内获得最小蚀损值。这一重要结论为我们设计Mg0-C砖提供了重要依据。当然,这个最小蚀损值需要通过实验得出。因为操作条件和熔渣特性等不一样,获得最小蚀损值的碳含量也明显不同。显然:
(1)虽然碳含量(质量分数)超过2%的MgO-C砖即可抑制熔渣浸透,但考虑到抗蚀性能时还需配入更多的碳素材料。
(2)复合耐火材料的抗侵蚀性能明显受到碳含量的制约,因而存在最佳碳含量范围。也就是说,抗蚀性能最高的复合耐火材料的基质应当由耐火氧化物+碳的混合物组成。只有在极少数的情况下,才能采用全碳基质的配方设计。例如:使用直接还原铁(Fe0含量高)的电炉渣线及热点,以及有不规则氧化情况的部位(在氧枪部位或铁水冲击墙),电炉、转炉中需要高抗热震性和高温强度大的部位等。
(3)对于MgO-C砖来说,在超高温的使用条件下,电熔镁砂的抗侵蚀性能比烧结镁砂高得多,而且对使用温度的依赖性也非常小。
(4)使用温度对MgO-C砖的抗蚀性的影响存在的情况是:以烧结镁砂为基础的MgO-C砖,使用温度为1650℃时以碳含量(质量分数)为15%的MgO-C砖的抗蚀性最佳,但随使用温度上升其蚀损量最小值的碳含量向碳含量增加的方向移动。以电熔镁砂为基础的MgO-C砖,其蚀损量都较小,并且对使用温度的依赖性也非常小,在1650~1750℃的使用温度条件下,碳含量(质量分数)为17%时MgO-C砖的抗侵蚀性均显示出最佳的结果。

在实际应用的复合耐火材料-熔渣系统中,复合耐火材料内衬仅受单面加热的作用,因而其熔解蚀损速度可用一元速度式来描述。众所周知,复合耐火材料的熔解蚀损,除了组成,特别是碳的种类和用量之外,材料本身的组织结构也是重要因素。MgO-C砖和含碳碱性不定形耐火材料的蚀损率与显气孔率的关系就是如此。由此即可推出复合耐火材料的蚀损的一元速度式。
 
对于复合耐火材料-熔渣系统来说,0>W/2,在Ap,=0的情况下,Lep=0,由此便可推导出复合耐火材料中耐火氧化物骨料颗粒向熔渣中熔解蚀损速度u,等于:ub=Dso1M(C,-C)/(B8)或者:un=dm/dt=K(C.-C)
式中,K为复合耐火材料的熔解蚀损反应速度系数;V1.为熔渣体积;M为氧化物相对分子质量;B为修正系数。
 
当熔渣中饥成分含量高时,由于V2O3的表面张力与石墨的表面张力相当,因而高饥熔渣能较深地浸入MgO-C砖中,甚至越过脱碳层侵入其内部。在这种情况下,Lp>0,因而复合耐火材料中耐火氧化物骨料颗粒向熔渣中熔解蚀损速度u,等于:ub=DsoSoV2M(1+2Lp/r)(C,-C)/(B8)(5-40)或者:ub=dm/dt=K'(1+2Lp/r)(C,-C)(5-41)式中,K=DsoSoV2M/(B8)。
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当以烧结镁砂为基础时,在1650℃的温度下,碳含量(体积分数)约为15%时的蚀损量最小,但随温度上升,其蚀损量显著增加,而且蚀损量最小值也呈现出向高碳区域移升的倾向。当以电熔镁砂为基础时,蚀损量对温度的依赖性较小,而且不论温度多高,碳含量(体积分数)均在约15%时其蚀损量最小。由此看来,复合耐火材料的熔解蚀损受碳氧化和耐火氧化物骨料颗粒向熔渣中的熔出所控制。也就是说,增加碳含量虽然减轻了熔渣的侵蚀,但却增加了由于气相氧化和液相氧化的损毁。因此认为两者达到平衡的碳含量范围即会显示出最小的损毁量。
 
在这种情况下,需要首先确定具体的脱碳机理,其次是要知道熔渣性质,按上述步骤求出复合耐火材料蚀损速度最小时的碳含量(Ct)。例如,在MgO-C材料-熔渣系统中,如取高碱度熔渣为研究对象,并假设初期(t=0)熔渣中的MgO浓度Com=6%,其饱和浓度(熔解度)为Csm=12%,由式5-26即可求得Ct:
(1)当脱碳损失质量中有20%C由液相氧化产生时,可求得复合耐火材料中最佳碳含量(质量分数)Cte=12.1%
(2)当脱碳损失质量中有30%C由液相氧化产生时,可求得复合耐火材料中最佳碳含量(质量分数)Ctr=15.7%
(3)当脱碳损失质量中有50%C由液相氧化产生时,可求得复合耐火材料中最佳碳含量(质量分数)Cte=19.3%。
 
由此可见:
(1)当熔渣性质一定,但如果脱碳机理不同时,则MgO-C材料的蚀损速度最小时的碳含量相差很大。
(2)液相脱碳控制碳的氧化速度需要较高的碳含量才能控制MgO-C材料的蚀损。
(3)实际使用中,碳氧化速度往往由液相氧化和固相氧化速度共同控制。
(4)上述结果表明,要确定实际复合耐火材料-熔渣系统中的碳氧化类型是困难的,而且L。是温度的函数,因而无法求出复合耐火材料蚀损速度最小时的最佳碳含量(范围)。
 
由上述计算结果还可推出另一个重要结论是强氧化性熔渣需要选用高碳含量的复合耐火材料才能与之相适应。这就为我们设计全碳基质复合耐火材料提供了重要依据。
 
基于上述分析认为复合耐火材料蚀损速度最小时的最佳碳含量需要通过实验才能得出,这有两种方法:
(1)以图5-15为依据,并假定复合耐火材料的磨损量与脱碳层厚度L。成比例,由磨损量和熔渣侵蚀量即可求出复合耐火材料蚀损速度最小时的最佳碳含量范围。
(2)通过实测抗渣试验后材料的蚀损深度和脱碳层厚度可求出复合耐火材料蚀损速度最小时的最佳碳含量范围。
 

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