轉(zhuǎn)爐出鋼口耐火材料的損毀機(jī)理是一個多因素耦合的復(fù)雜過程，主要涉及熱應(yīng)力作用、化學(xué)侵蝕、機(jī)械磨損及操作條件等多方面因素的綜合影響。以下是詳細(xì)的機(jī)理分析：

 

1.熱應(yīng)力作用

1.1溫度波動

高溫沖擊：出鋼時鋼水溫度高達(dá)1600℃以上，耐火材料表面迅速升溫，而內(nèi)部溫度梯度導(dǎo)致熱膨脹差異，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

冷卻階段：出鋼結(jié)束后，溫度驟降（如暴露于冷空氣或噴補(bǔ)材料），耐火材料收縮不均，導(dǎo)致表面裂紋擴(kuò)展。

循環(huán)熱應(yīng)力：頻繁的冷熱交替（每日數(shù)十次）導(dǎo)致材料疲勞，加速裂紋形成。

 

1.2碳氧化與結(jié)構(gòu)劣化

碳組分氧化：鎂碳磚中的石墨在氧氣或FeO存在下氧化為CO/CO?，導(dǎo)致材料孔隙率增加，熱導(dǎo)率下降，抗熱震性降低。

熱導(dǎo)率失衡：碳流失后，鎂砂顆粒間的結(jié)合減弱，材料整體熱導(dǎo)率下降，加劇溫度梯度帶來的應(yīng)力集中。

 

2.化學(xué)侵蝕

2.1爐渣與鋼水反應(yīng)

低熔點(diǎn)相生成：爐渣中的FeO、CaO、SiO?與耐火材料的MgO反應(yīng)，生成鈣鎂橄欖石（CMS）、鎂薔薇輝石（C3MS2）等低熔點(diǎn)相（熔融溫度B[形成反應(yīng)層]

B>C[熱膨脹差異]

C>D[層狀剝落]

 

2.2氧化性氣氛影響

金屬相氧化：鋼水中的Fe、Mn等金屬元素氧化生成FeO、MnO，與MgO反應(yīng)生成低熔點(diǎn)化合物。

抗氧化劑失效：鎂碳磚中添加的Al、Si等抗氧化劑消耗殆盡后，碳氧化速率顯著提升。

 

3.機(jī)械磨損與沖擊

3.1鋼水沖刷

高速流動剪切力：出鋼時鋼水流速可達(dá)25m/s，對出鋼口內(nèi)壁形成持續(xù)剪切作用，導(dǎo)致表面磨損。

固相顆粒磨損：鋼水夾帶的未熔爐料、脫氧產(chǎn)物等硬質(zhì)顆粒（如Al?O?、MgO·Al?O?）加劇磨蝕。

 

3.2機(jī)械振動與應(yīng)力

轉(zhuǎn)爐傾動沖擊：轉(zhuǎn)爐傾動出鋼時，耐火材料承受周期性機(jī)械振動，導(dǎo)致微裂紋擴(kuò)展。

結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中：出鋼口磚體接縫處因膨脹縫設(shè)計不當(dāng)，成為應(yīng)力集中點(diǎn)，加速局部損毀。

 

4.操作與維護(hù)因素

4.1操作參數(shù)影響

出鋼時間過長：延長高溫暴露時間，加速熱侵蝕和碳氧化。

出鋼角度不當(dāng)：鋼水流向偏離設(shè)計路徑，導(dǎo)致局部過度沖刷。

 

4.2維護(hù)措施不足

噴補(bǔ)不及時：未定期采用鎂質(zhì)噴涂料修復(fù)表面侵蝕層，導(dǎo)致?lián)p毀深度擴(kuò)大。

熱態(tài)修補(bǔ)效果差：冷態(tài)修補(bǔ)材料與原磚體熱膨脹不匹配，易脫落。

 

5.耐火材料自身因素

|因素、影響機(jī)制

|原料純度，MgO含量低時，雜質(zhì)相（如CaO/SiO?）增多，降低抗渣性。

|石墨含量，石墨含量過低（20%）則抗氧化性不足。

|結(jié)合劑類型，酚醛樹脂碳化后形成的殘?zhí)季W(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度不足時，易發(fā)生結(jié)構(gòu)崩解。

|微觀結(jié)構(gòu)均勻性，氣孔分布不均或骨料基質(zhì)結(jié)合弱化區(qū)域成為侵蝕優(yōu)先通道。

 

6.損毀過程動態(tài)模擬

以鎂碳磚為例，其損毀過程可歸納為以下階段：

1.初始階段：表面碳氧化，形成多孔層。

2.滲透階段：爐渣滲入多孔層，與MgO反應(yīng)生成低熔點(diǎn)相。

3.剝落階段：熱循環(huán)導(dǎo)致反應(yīng)層與本體分離，發(fā)生剝落。

4.加速損毀：新鮮表面暴露，上述過程循環(huán)加速。

 

改進(jìn)方向

1.材料優(yōu)化：開發(fā)高純度鎂砂、納米碳復(fù)合增強(qiáng)的鎂碳磚。

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計：采用整體預(yù)制出鋼口替代砌筑結(jié)構(gòu)，減少接縫。

3.工藝控制：優(yōu)化出鋼時間與角度，減少高溫暴露和偏流沖刷。

4.智能監(jiān)測：植入溫度/應(yīng)力傳感器，實(shí)現(xiàn)損毀預(yù)警與維護(hù)。

 

以上機(jī)理分析表明，轉(zhuǎn)爐出鋼口耐火材料的損毀是多重物理化學(xué)過程耦合的結(jié)果，需通過材料結(jié)構(gòu)工藝協(xié)同優(yōu)化提升使用壽命。