中间包镁质挡渣墙大量裂纹及开裂原因分析

前言

中间包是炼钢最后一个盛装钢水的容器，而挡渣墙则是中间包的重要组成部分。中间包内设置挡渣墙可以改变钢液的流动状态，延长钢液在中间包内的停留时间，促进其中的夹杂物有足够的时间充分碰撞、聚集、上浮，从而净化钢。中间包挡渣墙普遍采用耐火浇注料浇注成型,材质有高铝质、铝镁质或镁质等，经过养护、脱模、烘烤等工艺制成预制件后在中间包上安装使用。镁质挡渣墙因具有良好的抗侵蚀性能、耐火度高，以及有效降低带入钢液的氧含量，因此得到了广泛的使用。

本工作对某厂用后中间包挡渣墙的组成和常温物理性能进行分析，并结合用后残砖分析了中间包挡渣墙的损坏原因，旨在为提高中间包挡渣墙的寿命提供技术支撑。

试 验 

2.1 原料

试验用试样为现场使用的中间包挡渣墙预制件，预制件生产工艺为：混料→浇注→养护→脱模→220℃烘烤6h→成品。对生产厂家同批次挡渣墙浇注料不同粒度配比的化学组成进行检测，结果见表1。挡渣墙预制件主要化学组成(w)为：SiO₂ 5.17%、CaO 1.26%、MgO 91.43%.A1₂O₃ 0.12%、Fe₂O₃ 0.42%。挡渣墙为MgO-SiO₂-H₂O结合的镁质浇注料，骨料颗粒(0.5~10mm)与细粉(0~0.5mm)的质量比约为68：32。其中骨料颗粒均为电熔镁砂,细粉中含有少量的二氧化硅微粉。

表1  原料的主要化学组成

2.2 试样制备及性能检测

使用切割机从同批次挡渣墙产品上在渣线部位切取40mm×40mm×160mm的小长方体试样、Φ10mm×50mm小圆柱体试样以及230mm×114mm×65mm的大长方体试样。将小长方体试样在硅铝棒电炉中以5℃/min的速率分别升温至1100℃、1500℃,保温3h烧结，随炉冷却。按照GB/T5200-1993,在XQK-02显气孔体密测定仪上测定小长方体试样的显气孔率和体积密度;按照GB/T5072-2008,在CCS-600型微机控制常温耐压抗折试验机上测定试样的耐压强度;按照GB/T3001-2007,在CCS-600型微机控制常温耐压抗折试验机上测定试样的常温抗折强度;用游标卡尺测定长条试样热处理前后的长度变化;按照GB/T5988-2007计算其线变化率;按照30873-2014,在KRZ-S01型抗热震性试验炉上检测230mm×114mm×65mm的长方体试样的热震稳定性，以试样受热端面破损一半(或以上)时所经历的急热急冷循环次数作为试样的抗热震次数;按照7320-2018,在RPZ-03P全自动高温热膨胀仪上检测10mm×50mm圆柱试样从175℃至1400℃的热膨胀率及平均热膨胀系数。

用X'PERTMRD型X射线衍射仪测定1500℃烧后试样的物相组成。同时，对现场用后的中间包挡渣墙残砖进行切片、磨样，对其微区成分进行观察，利用QUANTA450型扫描显微镜及附带能谱分析仪观察残砖试样从渣层到原质层的显微结构及物相组成，并采用FactSage热力学软件计算。

结果与讨论

3.1 物相组成

利用热力学软件FactSage®6.2进行热力学计算可知,5~10mm骨料在1500℃主要物相为方镁石、钙镁橄榄石(CaMgSiO₄)和镁橄榄石(Mg₂SiO₄),各物相含量依次为91.038%、7.405%、1.558%,同时在1600℃会有8.991%高温液相存在。细粉在1500℃主要物相为方镁石、镁橄榄石和钙镁橄榄石,各物相含量依次为76.539%、20.012%、3.449%,同时在1600℃会有1.706%高温液相存在。这与相图分析结果一致，由于浇注料为非均匀体系，其中试样细粉部分C/S比为0.13,镁橄榄石结合相数量多于钙镁橄榄石，而5~10mm骨料部分C/S比为0.78,镁橄榄石结合相数量少于钙镁橄榄石。

图1 不同温度反应的热力学计算

图2示出了挡渣墙预制件试样经过1500℃热处理3h后的XRD图谱。可以看出，原砖主要物相为方镁石、镁橄榄石及钙镁橄榄石，与热力学计算结果一致。其中,镁橄榄石是镁砂和基质中硅微粉反应生成，反应见式(1)。镁橄榄石生成会伴随约10%的体积收缩，使材料烧结，结构致密度提高，体积密度增大。

图2 挡渣墙的物相组成

3.2 热膨胀率及热膨胀系数

图3示出了试样在不同温度下的热膨胀率及热膨胀系数。随着温度升高，试样的热膨胀率增大,1300℃时热膨胀率最大(1.57%)，温度高于1300℃,热膨胀率有降低趋势;试样的平均热膨胀系数从200-400℃逐渐增加,400-1100℃基本不变，温度高于1100℃，平均热膨胀系数下降,1100℃的平均热膨胀系数最大(13.2×10-6℃-1)。结果表明，试样从1100℃开始由于生成镁橄榄石，开始产生烧结收缩，同时当温度超过1300℃，液相含量增加明显，烧结收缩作用增强,因此热膨胀率开始降低。

图3 试样在不同温度下的热膨胀率与平均热膨胀系数

3.3 常温物理性能

中间包挡渣墙各项物理性能见图4~图6。MgO-SiO₂-H₂O结合的镁质浇注料在自然养护和烘烤后，由于Si-OH键脱水会形成-Si-O-Si-结合的三维空间网络结构，加强材料的结合,提高了试样常温耐压强度和体积密度。而经1100℃热处理后,镁砂细粉和硅微粉反应生成镁橄榄石，伴随着明显的收缩，同时导致微裂纹的形成，这也解释了常温试样的强度高于1100℃热处理后试样的强度。而1500℃热处理后试样充分烧结,耐压强度增大，试样的结构致密度提高。

图4 试样的体积密度和显气孔率

图5 试样的耐压强度和抗折强度

图6 试样的线变化率

3.4 热震稳定性和抗渣性能

在KRZ-S01型抗热震性试验炉上检测230mm×114mm×65mm的长方体试样的热震稳定性，试验温度为1100℃，水冷，原挡渣墙试样的抗热震性能指标偏低，两次热震试验即出现试样受热端面破损一半以上。

现场中间包用后镁质挡渣墙开裂破损情况跟踪及用后残砖图片见图7~图8。可以看出挡渣墙使用过程中从渣线部位开始出现开裂。挡渣墙表层粘附着一层渣，断面存在10-15mm的渗透层,渗透层呈现青黑色且裂纹较多。

图 7 挡渣墙使用后现场图片

图8 挡渣墙残砖断面形貌

图9示岀了用后挡渣墙残砖与渣界面处的背散射电子像。挡渣墙残砖从工作层热面-冷面依次可分为侵蚀层、渗透层、原质层等部分。结合图9(d)可知，挡渣墙原质层中骨料与基质结合部位存在较多的气孔。其中，微区A的EDS分析结果(w)为:O 45.25%、Mg 32.33%、Si 18.57%、Ca 2.84%,主要物相为方镁石、镁橄榄石及钙镁橄榄石。

图9 界面处各部位的背散射电子像和A区放大图

中间包熔渣的主要化学组成(w)为：FeO 0.79%、SiO₂ 29.1%、A1₂O₃ 24.16%、CaO 36.52%、MgO 6.57%。图9(b)示出了侵蚀层区域放大后的背散射电子像。结果表明在侵蚀层界面处深灰色的部分(点2)为镁砂骨料。浅灰色部分(点1)能谱显示为O、Ca、Si、Mg、Al,结合热力学计算，可推断存在硅酸二钙、方镁石等。图9中各点能谱分析结果列于表2。

表2 图9中各点的能谱分析结果

图9(c)示出了渗透层区域放大后的背散射电子像。和原质层相比，渗透层内部存在裂缝,可以检测到大量的元素Fe和Ca的存在。结合热力学分析认为，点5为钙镁橄榄石或镁橄榄石Mg₂SiO₄.方镁石等;点6为方镁石;点7为方钙石、方镁石和硅酸二钙等。从显微结构及能谱分析结果可知,挡渣墙原质层内部存在的气孔经高温钢水冲击和熔渣渗透造成裂纹进一步扩展。其中，熔渣中的2CaO·SiO₂会与基质中2MgO·SiO₂反应，生成钙镁橄榄石(CaO·MgO·SiO₂,1490℃)或镁蔷薇辉石(3CaO·MgO·2SiO₂，1570℃)等低熔点相，从而加速对挡渣墙的熔蚀，见式(2)和(3)。熔渣进入耐火材料导致渗透层和原质层成分不同,形成大量裂纹，裂纹长度大于2mm,见图9(c),加剧挡渣墙的熔蚀及开裂损毁。

结 论

(1)挡渣墙经1100℃烧成后试样的强度较低，显气孔率较高。而1500℃烧成后试样充分烧结，耐压强度增大，试样的结构致密度提高。

镁质挡渣墙预制件的气孔及裂纹对挡渣墙强度、抗热震性能及抗渣渗透性能影响显著。钢水和熔渣沿中间包挡渣墙的气孔和裂纹渗透，在侵蚀层、渗透层中镁橄榄石和熔渣反应生成低熔点的钙镁楸榄石和镁蔷薇辉石等。熔渣进入耐火材料导致渗透层和原质层成分不同，热胀冷缩不一致,导致生成大量裂纹,加剧挡渣墙的开裂。

作者：王洛、杨峥、刘自民、饶磊、王俊北、樊明宇