镁碳砖与钢水的反应及其影响因素

MgO-C耐火材料是最重要的碳复合耐火材料。它广泛应用于转炉、电炉、钢包渣线及一些精炼设备上。关于它与钢的反应及增碳作用进行过一些研究。Petschke等人曾研究了无添加剂镁碳砖及添加抗氧化剂金属铝的镁碳砖同两种钢铁熔体的反应。镁碳砖的性能及钢铁的成分分别见表3-1及表3-2。

从镁炭耐火材料制品中取截面积为20mm×20mm的试样，分别在450℃和1100℃下碳化6h。然后将试样插入盛有1.7kg溶融钢铁的高纯刚玉坩埚中（Al2O3的质量分数大于99.7%），插入的深度大约为5cm。刚玉坩埚放在真空感应炉内加热至1600℃，保温时间为2〜5h。用高纯氩气（Ar大于99.99%）作为保护气体。在试验过程中连续用石英真空吸管定时从祖祸中吸取钢样。然后对各钢样中的铝、碳与氧含量进行分析。所得的钢样中的碳含量与耐火材料的浸泡时间的关系如图3-3所示。

表3-1两种镁碳砖的性能

表3-2试验钢样的化学成分（质量分数/%）

图3-3不同耐火材料在不同钢样中浸泡时间与钢样中碳含量的关系

1—MgO-C-Al（450℃）/阿姆柯铁；2—MgO-C（450℃）/超低碳钢；3—MgO-C（450℃）/阿姆柯铁；4_MgO-C-Al（1000℃）/阿姆柯铁

由图可以看出，镁碳砖的热处理温度对其增碳作用有显著影响。当加抗氧化添加剂Al的镁碳砖的处理温度为450℃时，阿姆柯铁水中的C含量随耐火材料浸泡时间直线上升（直线1）。但同样的镁碳砖

经1100℃热处理后，阿姆柯铁水中的碳含量大幅度下降，而且仅仅在浸泡的最初10〜20min内增碳量稍大，而后含碳量趋于稳定（曲线4）。对于不含金属铝抗氧化剂、经450℃处理的镁碳砖，在阿姆柯铁水中浸泡所引起的增碳量要小于其在超低碳钢中浸泡相同时间所导致的增碳量。但是，对于这两种金属熔体，增碳都是在前10〜20min内进行。10〜20min后金属溶体中的碳含量几乎不随处理时间的延长而变化（曲线2与曲线3）。

图3-4和图3-5更进一步说明钢种以及镁碳砖的品种与处理温度对钢增碳的影响，由图3-4可见，对铝镇静钢与非脱氧钢在最初约5min内，钢中的碳含量都迅速增大。两者的碳含量相差不大。但5min后，二者却有很大的区别。对于非脱氧钢，碳含量基本保持不变。即镁碳砖不会再向非脱氧钢中增碳。但对Al镇静钢在经5min左右的快速增碳之后，钢中的碳含量仍随钢水与镁碳砖接触时间的延长而提高。由图3-5中可以看出经1500℃碳化后的耐火材料，无论是加金属铝或者Al2O3，对铝镇静钢的增碳量最小。加金属铝经低温热处理的镁碳砖造成的增碳量最大。不加金属铝及加氧化铝的镁碳砖使铝镇静钢的增碳量都比较高。但大量增碳作用都发生在100min以前，100min以后镁碳砖的增碳作用几乎停止，钢水中的碳含量趋于稳定。

对与阿姆柯铁反应后的未加抗氧化剂Al的镁碳砖（450℃处理）的观察发现脱碳层为200〜300μm，铁水未渗入耐火材料中，这是由于在镁碳砖与铁水的界面上形成了MgO致密层，阻止了铁水向耐

火材料中的渗透，也阻止了镁碳砖中的碳熔解于铁水中，如图3-6所示。

图3-4镁炭耐火材料与不同钢水接触时间与钢中碳含量的关系（1600℃）

图3-5不同镁碳砖与铝镇静钢接触时间同钢增碳量的关系（1600℃）

图3-6在阿姆柯铁中浸泡60min后MgO-C（450℃处理）中MgO致密层的形成

而对加抗氧化剂Al的镁碳砖试样（450℃处理），在经阿姆柯铁试验后在耐火材料与铁水界面上未发现MgO致密层的形成。经前5min试验后即可形成800μm厚的铁渗透层。并且最初5min后，铁渗透层的厚度与耐火材料放入阿姆柯铁中的时间有以下线性关系：

h=900t+800（3-14）式中h——铁水渗入深度，μm；t——试验放入阿姆柯铁液中的时间，h。

同时，MgO-C砖（450℃处理）在ULC钢中的试验结果以及加Al的MgO-C砖（在1000℃处理）在阿姆柯铁水中的试验结果都与上述MgO-C砖在阿姆柯铁水中试验结果相似。即发现有不同厚度的MgO致密层存在，但无金属熔体渗透层存在。金属熔体中增碳量较少而且在较短时间内即趋于稳定。由此可见，镁碳砖对金属熔体中增碳作用

与在耐火材料与金属熔体界面上MgO致密层的形成及结构有密切关系。

此外，无论经450℃处理及1000℃处理的含Al的镁碳砖试样中均发现有镁铝尖晶石（MgO•Al2O3）生成。

除了镁碳砖中的抗氧化添加物，热处理条件以及钢种等影响外，镁碳砖中碳含量以及脱碳层的存在与否都会对增碳产生影响。图3-7及图3-8分别给出3种不同碳含量镁炭材料与钢水接触时间与钢中碳含量的关系。所用耐火材料的化学成分见表3-3。对比图3-7和图3-8及表3-3可以得到以下结论：

表3-3试验用镁炭耐火材料的组成（质量分数/%）

图3-7不同碳含量的MgO-C材料与钢水接触时间对碳含量的影

响

（预处理条件：真空下，1200℃，10min）

图3-8不同碳含量的MgO-C材料与钢水接触时间对碳含量的影

响

（预处理条件：空气中，1000℃，120min）

（1）随着与钢水接触时间延长，钢中的碳含量增大。（2）镁炭材料热处理时的气氛对增碳量有较大的影响。在真空条件下热处理时，向钢中的增碳量随材料中的碳含量的提高而增大，而在空气中热处理的条件下，向钢中的增碳量与材料中的碳含量无关。同时，在真空中热处理时的增碳量大于在空气中的增碳量。

产生上述现象的原因是因为在空气中热处理时在镁炭材料的表面生成一脱碳层，将碳与钢水隔离。钢水要通过脱碳层中的气孔扩散到耐火材料内部才能与碳接触。当扩散层达到一定厚度时，通过脱碳层的扩散成为增碳过程的控制因素，因而材料中的原始碳含量对它们向钢的增碳过程已无显著影响。当在真空中热处理时，由于没有形成脱碳层，耐火材料中碳含量高，钢水与耐火材料接触面积就大，它向钢中的增碳作用越强。