高温弱静磁场下氧化铝耐火材料的渣蚀行为
作者单位：省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室
会议名称：《第十二届中国金属学会青年学术年会暨首届〝碳中和〞冶金青年科学家沙龙》
会议日期：1000年
学科分类：0806[工学-冶金工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学]
关 键 词：氧化铝耐火材料 熔渣侵蚀 高温可视技术 高温自由基反应 弱静磁场
摘 要：耐火材料是钢铁冶金等高温过程工业窑炉用基础材料之一,低密度高强钢冶炼过程产生的高氧化铝含量熔渣会严重蚀损耐火材料,不仅会严重影响高温炉安全高效运行,还会导致钢中产生非金属夹杂,成为制约高品质钢冶炼开发的瓶颈之一。传统上,耐火材料抗渣性的提升仅依靠材料自身组成与结构进行改进与优化,而利用电磁场等外场效应研发耐火材料抗侵蚀的新技术逐步受到业界关注。不同于电场、高强度磁场或交变磁场的外场效应,外加数毫特斯拉磁感应强度的弱静磁场具有提高耐火材料抗渣性的重要潜力。然而,对于弱静磁场是如何影响氧化铝耐火材料与熔渣间的复杂界面行为及其作用机制,仍然缺乏深入的认识。本团队针对具有高侵蚀性的高氧化铝含量CaO-Al2O3-SiO2熔渣,发展并利用高温可视化技术,并结合数字图像相关方法,系统开展了其在高温弱静磁场下对刚玉质质耐火材料的侵蚀行为研究,先后探究了高温弱静磁场下耐火材料在熔渣中的溶解行为、熔渣对耐火材料的润湿行为,以及耐火材料的侵蚀行为,讨论了不同温度和熔渣碱度(CaO wt%/SiO2 wt%)条件下外加磁场磁感应强度对氧化铝耐火材料渣蚀行为的影响规律及抗渣机理,指导磁场复合耐火材料开发和应用。研究得到以下主要结论:(1)耐火材料在熔渣中的溶解行为具有显著的弱磁效应,溶解速率曲线随外加静磁场磁感应强度增加出现波谷,特定强度弱静磁场可显著降低溶解速率,符合磁场对自由基反应的影响规律;升高温度可提升溶解速率,但对溶解速率起到抑制作用的磁感应强度区间不会变化;通过分子动力学计算,结合电子顺磁共振波谱仪测试结果,发现熔渣中存在丰富的自由基;外加弱静磁场通过调控自由基对电子自旋态,影响熔渣与耐火材料之间的自由基反应,从而改变了耐火材料的溶解行为,外加5～30 Gs弱静磁场通过调控自由基对电子自旋态,影响熔渣与刚玉之间的自由基反应,从而改变耐火材料的溶解行为。(2)弱静磁场能够影响熔渣与耐火材料的表观润湿角,且不同温度下,磁感应强度对同一熔渣的表观润湿角变化的影响规律相近;润湿过程中,熔渣与刚玉材料表面形成铝酸钙反应层,造成接触界面粗糙化并向下凹陷,呈现出典型的反应润湿现象;弱静磁场通过抑制熔渣在刚玉材料表面的自由基反应程度,降低铝酸钙反应层厚度及界面下陷程度,以碱度为5的熔渣为例,外加10 Gs静磁场后,润湿界面铝酸钙反应层厚度降低36.7%,界面下陷深度降低35.6%,熔渣对刚玉材料界面润湿程度显著下降。(3)熔渣在刚玉耐火材料界面发生了自由基参与的化学反应,并出现强烈的界面侵蚀现象;其中,活化子和阻滞子O2·-与Ca·+浓度分布失衡导致了图灵斑图侵蚀图纹的出现;外加强度为10～15 Gs静磁场能够显著降低刚玉耐火材料与熔渣界面反应程度,降低所形成铝酸钙反应层厚度,并显著抑制图灵斑图的发展,使侵蚀峰高度下降了20%～30%,本质是磁场通过激发电子系间窜越,改变了含自由基化学反应物之间的成键概率,降低了成键数量,最终阻碍了自催化反应及产物持续不均匀分布。(4)熔渣对氧化铝耐火材料侵蚀过程主要包括熔渣渗透-渗透溶解-新相析出三个阶段,所形成的变质层-温度波动等作用会造成材料结构剥落或热剥落。由刚玉溶解造成的熔渣渗透,及CA6新相形成协同产生的应力最大,其作用于对刚玉耐火材料产生的应变量约为熔渣渗透压力所致应变的1.20倍。外加5～10 Gs的高斯级弱静磁场降低了刚玉在熔渣中的溶解速率,显著延缓由刚玉在熔渣中溶解所造成的应变急速增加的现象,改善了刚玉耐火材料受熔渣侵蚀所引起的形变程度,侵蚀应变降低幅度高达50%。工业试用发现,复杂冶炼环境下,外加5～10 Gs静磁场可显著提升刚玉耐火材料抗渣性,表明弱静磁场在冶金工业中具备规模化应用的潜力。