影响钢包渣线砖耐材寿命的关键因素

钢包渣线寿命主要受外部环境、耐材品质以及砌筑方式等三个方面的影响和制约。

(1)外部环境

钢包是一种承接钢水、进行浇注作业的设备，钢水的温度往往在 1500℃左右，钢包渣线在此温度下与空气接触，将产生强烈的氧化反应。不仅如此，钢水与空气的接触面的温差对钢包渣线的影响也是相当剧烈的，较大的温差将对钢包渣线的热稳定性进行严峻的考验[20]，在频繁的承接、倾倒作业中，耐材将产生一定程度的崩裂。因此，在外部环境中，高温下的氧化对渣线的侵蚀造成了很大程度的影响，同时温度的巨大改变，对耐材的热稳定性提出了很高的要求，在耐材受到熔损和崩裂的相互作用下，钢包渣线很容易遭到破坏，进而产生渗钢的现象。

LF 精炼渣易造成镁碳砖氧化、脱碳， LF 渣高温下黏度比较低，在脱碳层中的渗透能力很强，而且对氧化镁具有较高的溶解性， 同时，熔渣容易渗入到方镁石的晶界处离解镁砂颗粒，如图2(图中 SA为渣;TA为三块交汇处)因此， LF 渣线镁碳砖的使用寿命都是比较低的。沈平等系统地研究了钢包镁碳砖在 LF 精炼处理过程的损毁机理，表明尺寸较小的 MgO 晶粒骨料容易被高温熔渣侵蚀，侵蚀后熔渣会继续沿着方镁石晶界渗入 MgO 骨料内部，最终造成方镁石骨料的解理。

镁碳砖在钢包内不同的服役温度区域及其自身内部的不同组织结构造成其损毁及侵蚀机理的不同，在近钢液面的高温区域，镁碳砖自身会发生 MgO 与碳的反应，形成脱碳层，高温下熔渣与镁碳砖的润湿性更好且 MgO 向熔渣溶解的趋势更大，相比近空气侧的低温区域，镁碳砖受熔渣侵蚀更严重。此外，钢包进行的扒渣及修理作业，也不可避免的将对钢包渣线产生人为的损伤，扒渣机和拆包机在对渣线冷钢和残渣进行清理的同时，将对钢包渣线产生震动及误伤，进而对钢包渣线造成一定程度的损害，尽管这种损害对渣线整体质量的影响微乎其微，但仍会加大钢包渣线的维修频率。

(2)耐材品质

目前钢包渣线主要使用镁碳砖砌筑，不论是传统的镁碳砖还是在目前大量使用的低碳镁碳砖，主要利用鳞片状石墨作为其碳源，鳞片石墨一般选用-197、 -196等，即粒度大于 100 目、纯度高于 97%或 96%(质量分数)， 结合剂为热硬性酚醛树脂，碳化反应时，自身链段发生交联反应形成的网状结构能形成镁砂颗粒与石墨等之间的机械互锁力。石墨作为生产镁碳砖的主要原料，主要得益于其优良的物理性能：①对炉渣的不湿润性， ②高的导热性， ③低的热膨胀性。此外，石墨与耐火材料不发生共熔， 且石墨耐火度高， 正是由于这一特性，镁碳砖被选用在使用环境较为苛刻的渣线上[24]。对于低碳镁碳砖(碳的质量分数≤8%)或超低碳镁碳砖(碳的质量分数≤3%)，因碳含量低而难以形成连续网状结构，所以低碳镁碳砖的组织结构的设计较为复杂，相反，高碳镁碳砖(碳的质量分数>10%)组织结构设计相对简单。

由于镁碳砖易受潮以及配方选用上的影响，镁碳砖的性能将受到一定的影响。镁碳砖受潮以后，导致结构松散，在高温下水分逸出产生多空通道，对镁碳砖的热稳定性及抗侵蚀能力都将产生负面影响，同时应对钢水的冲刷能力也将大大减弱。MgO-C 对热机械磨蚀很敏感，这是因为 MgO 热膨胀系数具有较高的可逆性。镁碳砖的结合剂也是影响镁碳砖品质的一个重要因素，结合剂含量太多或者太少，都将对镁碳砖的性能产生影响，结合剂含量太少，镁碳砖粉料结合不紧密，容易被冲刷剥落;结合剂含量太多，镁碳砖的热震稳定性和耐火度都将变差，同时会对钢水加入过多的有害元素。

钢包承接转炉钢水时会同时伴有大量钢渣，钢渣中低熔点的 2CaO·SiO2 溶入于 MgO 晶界并与 MgO 层微量杂质元素发生化学反应，对镁质耐火材料的溶蚀起到了主要作用， 从转炉渣角度考虑，对镁碳砖性能改进的研究主要集中在镁砂、防氧化剂和微观结构等方面。

此外，镁碳砖中抗氧化剂的加入也对其品质产生影响， 为了提高镁碳砖的抗氧化性，常加入少量的添加剂，常见的添加剂有 Si、Al、Mg、Al-S、Al-Mg、Al-Mg-Ca、Si-Mg-Ca、 SiC、 B4C、 BN 和 Al-B-C 和 Al-SiC-C 系等添加剂， 添加剂的作用主要有两个方面：一方面是从热力学观点出发，在工作温度下，添加物或者添加物和碳反应生成其他物质，它们与氧的亲和力比碳与氧的亲和力大，优先于碳被氧化从而起到保护碳的作用， 另一方面从动力学的角度来考虑添加剂与 O2， CO 或者碳反应生成的化合物改变碳复合耐火材料的显微结构，如增加致密度，堵塞气孔，

阻碍氧及反应产物的扩散等[28]。目前镁碳砖中主要采用了 Al粉来防止碳素的氧化，虽然 Al 在抗氧化方面具备较强的能力，但是在高温下， Al 与 C 及 N2发生反应形成 Al 的碳、 氮化合物，其中 Al 的碳化物在高温到低温过程中易发生水化，导致镁碳砖内部形成空隙，从而引起结构松散，产生裂缝。鉴于这种情况，国内一些耐材厂家已经采用粉、硅粉和碳粉为原料在真空烧结炉中制备 AI4SiC4 粉体，并将其作为抗氧化剂应用于镁碳砖，研究其对镁碳砖抗氧化性能的影响发现 AI4SiC4 不仅具有很强的抗氧化性能而且能够避免传统抗氧化剂所存在的水化开裂的问题。

(3)砌筑方式

钢包渣线镁碳砖普遍采用干砌(直接堆放砖，无火泥粘结)和湿砌(采用火泥结合耐火砖)两种，干砌的优点在于最大程度上减少了火泥带来的影响，在高温状态下，由于镁碳砖与火泥的材质不同，受温度影响热膨胀率不同，容易在接触面产生缝隙。这种方式的缺点在于镁碳砖之间无法保证百分百的接触紧密，同时当镁碳砖受热膨胀时，砖与砖之间没有缓冲的余地，从而造成砖块挤压断裂;或者由于镁碳砖膨胀，整环渣线整体抬升，巨大的挤压力使包沿板变形，耐材失去保护被冲刷剥落，对渣线的质量产生较大的威胁。

湿砌的方式与建筑上的砌筑方式类似，只是在要求上更为严格，该方式的优点在于很好的避免了干砌中可能产生的缝隙，同时在高温下火泥强度较弱，当镁碳砖受热膨胀时，可以产生流动以适应砖之间缝隙的改变，分散了砖之间的挤压力，从而很好的避免了缝隙的产生。这种方式的缺点在于火泥的使用使得渣线的结构处于不稳定状态，同时提高了砌筑难度，如果火泥不均匀，将依然会在砖与砖之间产生空缝。