钢渣对氧化镁坩埚的侵蚀

李伟,张玉柱,邢宏伟,龙跃

(河北联合大学冶金与能源学院,河北 唐山063000)

0 引 言

我国钢渣的年排放量在1亿吨以上,而且每年递增。对它的处理和再利用是实现钢铁产业循环经济和环境保护的重要措施。研究钢渣的性质,一般都需要将其熔融,这就要求有好的熔化钢渣的容器。氧化镁制品由于其耐高温,耐酸碱,并且对熔渣的侵蚀有一定的抵抗作用,所以被广泛用做熔化钢渣的容器。

1 氧化镁坩埚的性质

高纯氧化镁坩埚的主要成分是M gO,含量在99%以上,主晶相为方镁石,熔点在2700℃左右,最高使用温度为2000℃,气孔率≤1.0%,体积密度在3.3～3.5 g/cm2,露置空气中极易吸水变成Mg(OH)2,因此需要密闭保存。由于其性质的特殊,所以其坩埚制品抗熔融金属的还原作用特别强。

2 钢渣的性质

钢渣是一种矿物熔渣,是炼钢过程中排出的冶金熔渣[1]。它主要是由钙、铁、硅、镁、锰、磷等氧化物构成的,其中钙、铁、硅、镁的氧化物占绝大部分[2]。钢渣组分对侵蚀的影响是非常大的,过程也是非常复杂的。钢渣的化学成分见表1。

表1 钢渣化学成分

3 实验方案设计

3.1 实验步骤

实验选用的氧化镁坩埚尺寸为60 mm×40 mm,壁厚为5mm。预先称好钢渣25 g放入氧化镁坩埚中,将试样连同坩埚一起放入实验炉内。选取不同升温速度将试样升到所需温度。保温不同的时间观察坩埚侵蚀的程度。

3.2 实验条件

表2 实验条件

3.3 实验结果

在不同的升温速度下,保温相同的时间,钢渣对氧化镁坩埚的侵蚀程度是不一样的。这说明,升温速率对坩埚侵蚀的事有一定影响的。在相同的升温速率下,保温不同的时间,钢渣对氧化镁坩埚的侵蚀程度也是不同的。保温时间越长,钢渣对氧化镁坩埚的侵蚀程度越严重。实验后的坩埚见下图。

由图可见,不同的升温速率及保温时间对坩埚的侵蚀程度是不同的。升温速度快钢渣对坩埚的侵蚀程度较轻;保温时间长,钢渣对坩埚的侵蚀程度也严重。在实验条件下试样的侵蚀以渗透为主。对于1号样而言,渣侵蚀部位由原来的白色变为黑色或深褐色,结构致密坚硬,离开渣蚀面颜色变化不明显。对于2号样来说,渣侵蚀部位由原来的白色变为褐色或深灰色,结构致密坚硬,离开渣蚀面颜色颜色逐渐变浅。坩埚内几乎无钢渣,仅仅在渣蚀面上可以看到一层钢渣。从图中可以看出不同的实验条件钢渣对氧化镁坩埚的侵蚀程度是不同的。

4 结果分析

对试验后的坩埚进行分析,观察其侵蚀结果。对侵蚀后的氧化镁坩埚进行能谱分析,主要元素如下。

由图中可以看出,侵蚀前后坩埚中镁的含量是变化的。究其原因,认为钢渣中氧化镁含量升高有两个因素:一是钢渣侵蚀坩埚,使M gO扩散至钢渣中;一是钢渣中低熔点组分在实验温度下渗透到试样中。

这点也可从反应前后的钢渣中看出来。

由图5和图6可以看出,附渣层中氧化镁含量明显高于原渣中的含量。

陈肇友[3]经近似计算,绘制了M gO在1600℃时在CaO-A l2O3-SiO2渣中的等温溶解度曲线,如图3所示。

图7 1600℃时MgO在CaO-A l2 O3-SiO2渣中的等温溶解度曲线

将使用前钢渣中的CaO、A l2 O3、SiO2的原含量按三元系换算后,其含量为:CaO(46.81)-A l2 O3(17. 78)-SiO2(35.41)。MgO在该渣中的溶解度为15%,而原始气淬钢渣中M gO的含量是7.88%,显然在该渣中未饱和,仍可从坩埚中吸收MgO。这一结果与能谱检测结果一致。

从图3和图4中海可以看出其它元素的变化,为了进一步研究侵蚀过程,对侵蚀后的氧化镁坩埚进行XRD衍射,结果见下图。

由衍射结果可以看出,主要是在高温条件下形成了一些尖晶石及其固溶体。在高温阶段,晶体的热平衡空位数量大增,它对扩散的作用大于晶界。固溶体的形成主要是由于氧化物中存在空位。空位的数量和温度有很大关系,温度越高,热平衡空位越多,氧化物中正负离子的扩散就越容易,反应就越容易。相应的固溶体的生成量就越多。在实验条件下,主要是铁,钙,铝及硅的氧化物溶于M gO中形成了多种不同的固溶体,如图8所示。

图8 侵蚀后的氧化镁坩埚XRD图

5 小 结

5.1 钢渣对氧化镁坩埚的侵蚀主要可以归结为两点。一是钢渣的M gO没有达到其饱和溶解度,可以继续吸收坩埚的MgO。二是钢渣中的低熔点组分渗透到坩埚中,与其结合生成不同的固溶体。

5.2 针对这两点,设计了解决方案。首先是针对钢渣的组分作调整,尽量使其达到M gO的饱和溶解度;其次是控制升温速度和保温时间。经过试验,这种方法能够有效的控制气淬钢渣对氧化镁坩埚的侵蚀。

[1] 赵青林,周明凯,魏茂.德国冶金渣及其综合利用情况[J].硅酸盐通报,2006,25(6):165～171.

[2] 侯贵华,李伟峰,郭伟,陈景华,罗驹华,王京刚.转炉钢渣的显微形貌及矿物相[J].硅酸盐学报,2008,36(4):436～443.

[3] 陈肇友.化学热力学与耐火材料[M].北京,冶金工业出版社,2005.