耐火材料抗渣侵蚀性能的测定与评价

耐火材料在使用过程中，其损耗主要源于3个部分。一部分是由耐火材料和炉渣的反应所引起的溶损;另一部分则是因热应力引起的龟裂和裂纹所导致的剥落损伤;再者就是因装入冶金用原材料所引起的机械碰撞以及熔融金属和炉渣等的剧烈运动所产生的机械冲刷而导致的磨擦损耗。耐火材料抗渣侵蚀性能的好坏是影响耐火材料使用寿命长短的一个重要因素，也是判断耐火材料性能优劣的一个主要指标。耐火材料在实际使用过程中的抗渣侵蚀性能受诸多因素的影响。其中包括耐火材料的种类和材质、耐火材料的化学性能和物理性能、耐火材料的微观组织结构以及耐火材料的使用温度、炉内气氛和融渣的化学性质等。评价耐火材料抗渣侵蚀性能的实验方法甚多，如何合理选择实验方法去正确地评价耐火材料的抗渣侵蚀性能，涉及到很多实验技巧和知识。这里对目前较为常用的耐火材料的抗渣侵蚀性能评价方法和抗渣侵蚀实验中所使用的实验装置及其特点做简明介绍。

坩埚实验法

一、坩埚实验法的实验装置和实验过程

坩埚实验法所用的加热装置一般以电阻炉为主。渣侵蚀实验用坩埚通常使用耐火砖切割加工而成，或由耐火原料直接压制成型。坩埚的标准尺寸如图12-3-1所示。

实验时，首先将侵蚀用渣剂装入坩埚，然后将坩埚放入电炉的恒温区内，加热至预定的实验温度并保温一定时间。降温后，将冷却到室温的坩埚从电炉中取出，并沿其中心面剖开，观察并测量其侵蚀情况。耐火材料的抗渣侵蚀性能，一般常用耐火材料试样的侵蚀量(或侵蚀深度)和炉渣在耐火材料试样中的渗透深度来分别表示。

图12-3-1所示的坩埚虽然为标准尺寸，但由于容积较小，侵蚀用渣剂的装入量有限。例如，炉渣的密度按3.0g/cm3计算，那么坩埚所能容纳的渣剂重量约为84g。但由于渣剂通常是粉体，其密度远低于3.0g/cm3，因此，实际上坩埚所能装入的渣剂量常常只有84g的一半左右。由于受侵蚀用渣剂装入量的限制，耐火材料试样的侵蚀量太少，有时几乎难以准确地进行测量。从而，各耐火材料试样之间的抗渣侵蚀性能的差异也不易正确比较。所以，渣侵蚀实验用坩埚尺寸的大小，最好应根据实际情况，特别是耐火材料的材质，渣剂的性质以及加热温度等综合因素来确定和加工制作。

二、坩埚实验法的特点

坩埚实验法是目前最为常见的一种评价耐火材料抗渣侵蚀性能的实验方法，其主要特点如下：

(1)实验方法简单，容易实现。

(2)坩埚内装入的渣剂量较少，在实验过程中随着耐火材料侵蚀量的增加，炉渣的化学成分将发生较大变化。

(3)耐火材料试样内部不存在温度梯度，加之融渣和耐火材料试样之间处于相对静止状态，所以，炉渣向耐火材料试样内部的渗透行为以及融渣对耐火材料试样的侵蚀过程与实际炉内的耐火材料的侵蚀状况存在着较大的差异。

(4)对于抗渣侵蚀性能较好的耐火材料，特别是含碳耐火材料，由于耐火材料的侵蚀量太少，不同耐火材料试样间抗渣侵蚀性能的差异不明显，难以正确比较。

三、坩埚实验法的实验例

为考察添加碳化硅和合成的赛隆-碳化硅对氧化铝系耐火材料抗渣侵蚀性能的影响，使用电熔氧化铝、碳化硅和合成的赛隆-碳化硅原料压制成实验用坩埚。其组成配比见表12-3-1。

渣侵蚀实验用渣剂的化学组成(%)为：CaO 35，SiO2 35，Al2O3 10和Fe2O3  20，使用的渣剂量20g。实验温度1500℃，保温时间1h。实验结果如图12-3-2所示。可见，由于实验所用坩埚为氧化物系耐火材料，渣侵蚀实验效果明显，各耐火材料试样的侵蚀深度比较容易测量。

X射线透视实验法

一、X射线透视实验法的实验装置和实验过程

X射线透视实验法实际上也是坩埚实验法的一种，其实验装置如图12-3-3所示。X射线透视实验法的主要特点是通过X射线透视，可以直接观察耐火材料试样在高温状态下的侵蚀过程以及熔融金属和融渣在坩埚内的运动状态，并可根据需要将整个耐火材料试样的侵蚀过程用录像设备记录下来。

实验时，首先在坩埚内装入一定量的金属，然后将坩埚置于电炉内加热。当炉内温度达到预定的实验温度后，由炉管上部向坩埚内投入渣剂。通过X射线透视装置观察坩埚内金属和渣剂的熔化过程和反应情况，并根据需要启动录像装置记录耐火材料试样的侵蚀过程。实验结束后，将坩埚沿其中心面剖开，进一步观察并测量耐火材料试样的侵蚀情况。还可以根据需要，通过电子显微镜观察，对侵蚀实验后的耐火材料试样和渣-金界面处的微观结构进行分析。

二、X射线透视实验法的特点

与坩埚实验法和旋转坩埚实验法相比较，X射线透视实验法可以对坩埚内耐火材料的侵蚀过程进行动态分析，其主要特点如下：

(1)可以直接观察到耐火材料在高温下的侵蚀过程以及熔融金属和融渣在坩埚中的运动状态，便于建立和验证某些理论模型和进一步揭示耐火材料的侵蚀机理。

(2)可以测量高温下任意温度和任意时刻的耐火材料试样的侵蚀速度，因此可以对耐火材料与融渣的反应过程进行动力学解析。

(3)设备投资较大，操作复杂。

三、X射线透视实验法的实验例

实验用坩埚是由氧化镁-碳系耐火砖(原料配比见表12-3-2)加工而成。坩埚大小为外径100mm*内径50mm*高50mm。实验使用碱度为m(CaO)/m(SiO2)=1.0的两种渣剂，Al2O3的含量分别为10%和20%。实验主要考察炉渣中Al2O3的含量对含碳耐火材料抗渣侵蚀性能的影响。

实验在氩气气氛下进行，实验温度为1620℃，保温时间为1h。实验结果如图12-3-4所示。由图可见，随着渣侵蚀时间的延长，明确地显示出渣中Al2O3的含量对含碳耐火材料抗渣侵蚀性能的影响趋势。但是，在渣侵蚀时间较短，或在某一固定的渣侵蚀时刻下，由于融渣和耐火材料的相互作用，耐火材料的渣侵蚀界面不易分清，容易使实验结果出现一些误差。