剛玉質(zhì)耐火材料渣蝕過程的可視化研究

李昇昊 黃 奧 顧華志 楊鵬鵬 付綠平 楊 爽

武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北武漢430081

熔渣侵蝕是耐火材料損毀的原因之一。檢測(cè)耐火材料抗渣性能的方法有靜態(tài)法（包括坐滴法、靜態(tài)坩堝法、浸漬法等）和動(dòng)態(tài)法（包括旋轉(zhuǎn)浸漬法、感應(yīng)爐抗渣法、回轉(zhuǎn)抗渣法等），但這些方法主要依據(jù)對(duì)材料的“蝕后”分析來評(píng)價(jià)抗渣性能，無法了解渣蝕過程的動(dòng)態(tài)情況。耐火材料-熔渣-空氣三相界面處的侵蝕一般比較嚴(yán)重［1-3］，其中Zou等［4］在剛玉耐火材料三相界面處發(fā)現(xiàn)有“類火山”形侵蝕峰出現(xiàn)，會(huì)對(duì)耐火材料產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。數(shù)字圖像相關(guān)（Digital Image Correlation，DIC）技術(shù)可用來分析在外力作用下試樣表面隨機(jī)分布的散斑的位置變化來測(cè)定試樣表面的變形［5］，比傳統(tǒng)的變形測(cè)量方法適用范圍廣，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高［6-10］，在測(cè)量高溫過程中的變形方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［11-13］。

在本工作中，基于高溫可視化技術(shù)結(jié)合高溫?cái)?shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，對(duì)剛玉坩堝-熔渣-空氣三相界面處侵蝕的演變過程、剛玉耐火材料受熔渣侵蝕和滲透過程中的全場(chǎng)應(yīng)變分布及其與熔渣侵蝕和滲透區(qū)域分布的相關(guān)性進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

以剛玉坩堝（內(nèi)徑φ60 mm，外徑φ60.5 mm，高度60 mm，w（Al2O3）＞99%）為研究對(duì)象，從平行于坩堝孔軸線方向和垂直于坩堝孔軸線方向切除占2／3圓弧的坩堝壁，得到如圖1所示的試驗(yàn)坩堝，用于剛玉坩堝-熔渣-空氣三相界面處“類火山”侵蝕峰的演變過程觀測(cè)。

圖1 試驗(yàn)坩堝示意圖Fig.1 Diagram of corundum based crucible

取粒度≤0.074 mm、w（Al2O3）≥99.5%的燒結(jié)剛玉粉和粒度≤0.074 mm、w（MgO）≥97.0%的電熔鎂砂粉，按m（燒結(jié)剛玉粉）∶m（電熔鎂砂粉）＝95∶5的比例配料，外加3%（w）的PVA為結(jié)合劑，混練均勻后，在YAW-1000D型微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)上以100 MPa壓力成型為45 mm×25 mm×25 mm的樣坯，在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中于110℃固化24 h。利用Speckle Generator（Correlated Solutions Inc，America）軟件生成直徑1.5 mm、密度55%、隨機(jī)度75%的散斑圖案，然后利用氣動(dòng)噴筆將尖晶石質(zhì)墨點(diǎn)印刷于試樣任一45 mm×25 mm的表面，制成帶有隨機(jī)散斑的塊狀試樣。

取w（Al2O3）≥99.5%的分析純Al2O3粉、w（CaO）≥98%的分析純CaO粉和w（SiO2）≥98%的分析純SiO2粉，按Al2O3粉、CaO粉、SiO2粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為52%、35%、13%和分別為43.33%、35%、21.67%兩種配比配料，經(jīng)混合、預(yù)熔、研磨制成Al2O3-SiO2-CaO三元系試驗(yàn)渣粉S1和S2。取5 g試驗(yàn)渣粉S2，以20 MPa壓力成型為φ20 mm的圓柱形渣樣。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用自制的高溫可視化系統(tǒng)，主要由加熱單元（開有可視窗口的高溫爐）和信號(hào)采集單元組成。加熱單元可以5～20℃·min-1的速率升溫到最高溫1 700℃；信號(hào)采集單元包括工業(yè)相機(jī)，單色光源（中心波長為450 nm），帶通濾光鏡（通帶寬度20 nm、中心波長為450 nm），中性灰度濾鏡和固定支架。

1.3 試驗(yàn)過程

1.3.1 坩堝試樣三相界面侵蝕峰演變過程的圖像記錄

稱取38.6 g試驗(yàn)渣粉S1放入試驗(yàn)坩堝中，然后置于高溫可視化系統(tǒng)的高溫爐內(nèi)，將切口正對(duì)觀察窗口。按設(shè)定的升溫速率（室溫至1 000℃為10℃·min-1、1 000～1 600℃為5℃·min-1）加熱至1 600℃，并于1 600℃保溫2 h。在溫度升至1 350℃時(shí)開啟單色光源和工業(yè)相機(jī)，并開始計(jì)時(shí)，每間隔3 s記錄一次三相界面處侵蝕峰形貌，直至保溫結(jié)束。

1.3.2 塊狀試樣散斑標(biāo)記面的圖像記錄

將帶有隨機(jī)散斑的塊狀試樣放入高溫可視化系統(tǒng)的高溫爐內(nèi)，將有散斑的一面正對(duì)觀察窗口，將圓柱形渣樣S2垂直放置在塊狀試樣上表面正中央。按設(shè)定的升溫速率（室溫～1 000℃為10℃·min-1、1 000～1 600℃為5℃·min-1）加熱至1 600℃，并于1 600℃保溫2 h。在溫度升至1 350℃時(shí)開啟單色光源和工業(yè)相機(jī)，并開始計(jì)時(shí)，每間隔3 s記錄一次散斑標(biāo)記面的圖像，直至保溫結(jié)束。

1.3.3 分析與表征

利用Image J軟件（National Institutes of Health，America）對(duì)“1.3.1”中記錄的三相界面侵蝕峰生長過程的圖像進(jìn)行計(jì)算處理，獲得侵蝕峰形貌的演變過程；利用VIC-2D 軟件（Correlated Solutions，Inc，America）對(duì)“1.3.2”中記錄的散斑標(biāo)記面的圖像進(jìn)行計(jì)算處理，獲得其應(yīng)變場(chǎng)演變過程。

2 結(jié)果與討論

2.1 坩堝試樣三相界面侵蝕峰形貌的演變過程

從1 350℃至保溫結(jié)束，坩堝試樣三相界面侵蝕形貌變化見圖2，其中t是試驗(yàn)時(shí)間。可以看出：隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長，“類火山”侵蝕峰高度和寬度逐漸發(fā)生變化，并在侵蝕一定時(shí)間后趨于穩(wěn)定。

圖2 三相界面侵蝕峰形貌的演變過程Fig.2 Evolution of corrosion peak morphology at the threephase interface

對(duì)比不同時(shí)間段峰高和峰寬的變化發(fā)現(xiàn)：侵蝕峰在T＝4 440 s之后才開始出現(xiàn)；在7 320 s之前，侵蝕峰主要向?qū)挾确较虬l(fā)展，高度變化不大；7 320 s之后，侵蝕槽主要向高度方向發(fā)展，寬度變化不大。分析認(rèn)為：在侵蝕初期，熔體中溶解的氧化鋁較少，熔體表面張力較小，且侵蝕峰發(fā)展尚不成熟，侵蝕峰半高寬部位所接觸熔體量更多，半高寬部位熔體更新速度相對(duì)較快，導(dǎo)致界面反應(yīng)劇烈，生成較厚的反應(yīng)層；但該反應(yīng)層將阻礙熔體的進(jìn)一步滲透和侵蝕，從而逐步限制侵蝕峰的橫向發(fā)展，熔體對(duì)反應(yīng)層較薄的侵蝕峰頂端滲透侵蝕逐漸加快，侵蝕峰縱向發(fā)展逐步占據(jù)優(yōu)勢(shì)。基于對(duì)三相界面侵蝕后形貌演變的分析，有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)剛玉質(zhì)耐火材料三相界面處這種特殊的侵蝕現(xiàn)象發(fā)生的規(guī)律。

2.2 塊狀試樣應(yīng)變場(chǎng)演變過程及其與侵蝕程度的相關(guān)性

試樣觀測(cè)面在不同試驗(yàn)時(shí)間的應(yīng)變分布云圖見圖3。從0 s至9 000 s的全場(chǎng)平均應(yīng)變-時(shí)間曲線見圖4，縱坐標(biāo)e1表示采用Langrange算法獲得的試樣主應(yīng)變的數(shù)據(jù)。

圖4 從0至9 000 s全場(chǎng)平均應(yīng)變-時(shí)間曲線Fig.4 Full field average strain-time curve from 0 s to 9 000 s

從圖3可以看出：1）在2 976 s時(shí)，圓柱形渣樣還沒有完全熔化，最大應(yīng)變及其所占區(qū)域均較小。2）3 360 s時(shí)，渣塊已經(jīng)熔化成饅頭狀；最大應(yīng)變變化不大，但其所占區(qū)域明顯增大。3）3 600 s時(shí)，饅頭狀熔渣高度減小，底部直徑略有增大，應(yīng)該有部分熔渣滲入試樣中；最大應(yīng)變顯著增大。4）4 215 s時(shí)，試樣上表面幾乎見不到殘?jiān)砻魅墼鼛缀跞繚B入試樣中；最大應(yīng)變有所增大，其所占區(qū)域明顯增大。5）9 000 s時(shí)，最大應(yīng)變有所增大；其所占區(qū)域橫向顯著增大，縱向有所減小。

圖3 不同試驗(yàn)時(shí)間的應(yīng)變分布云圖Fig.3 Strain distribution nephogram at different times

從圖4可以看出：在3 000 s之前，全場(chǎng)平均應(yīng)變以較慢較勻的速率增大；在3 000～3 252 s段，全場(chǎng)平均應(yīng)變?cè)龃笏俾始涌欤辉? 252～3 930 s段，全場(chǎng)平均應(yīng)變?cè)龃笏俾蔬M(jìn)一步加快；在3 930 s后，全場(chǎng)平均應(yīng)變?cè)龃笏俾手饾u減慢；在4 365 s達(dá)到最大值后，全場(chǎng)平均應(yīng)變以較慢較勻的速率減小。

侵蝕試驗(yàn)后塊狀試樣平行于觀察面從中部切割后的宏觀形貌照片見圖5。1 600℃保溫2 h后，塊狀試樣觀測(cè)面的應(yīng)變分布云圖見圖6。從圖5可以看出：侵蝕試驗(yàn)后，試樣上表面接觸到熔渣的區(qū)域被侵蝕得凹凸不平；以凹凸不平區(qū)域的中心位置為中心，明顯存在呈扇形擴(kuò)展的三層結(jié)構(gòu)，依次為侵蝕層、滲透層和原質(zhì)層。其中，侵蝕層疏松多孔。從圖6可以看出，侵蝕層、滲透層和原質(zhì)層之間存在顯著的應(yīng)變梯度：侵蝕層應(yīng)變量為0.083～0.139，滲透層應(yīng)變量為0.06～0.083，與滲透層相接的原質(zhì)層應(yīng)變量為0.044～0.06。令人感興趣的是，侵蝕層、滲透層和原質(zhì)層的梯度應(yīng)變區(qū)域的形狀與侵蝕層、滲透層和原質(zhì)層的實(shí)際形狀有較大的相似性。這表明，塊狀剛玉試樣上表面受熔渣侵蝕過程中，其側(cè)面的應(yīng)變分布與其受熔渣侵蝕、滲透區(qū)域分布之間存在較大的相關(guān)性。因此，可以采用動(dòng)態(tài)應(yīng)變分布云圖來反映耐火材料受熔渣侵蝕、滲透狀況的動(dòng)態(tài)發(fā)展過程。

圖5 侵蝕試驗(yàn)后塊狀試樣的宏觀形貌照片F(xiàn)ig.5 Photo of block specimens after corrosion test

圖6 1 600℃保溫2 h的應(yīng)變分布云圖Fig.6 Strain distribution nephogram after soaking at 1 600℃for 2 h

3 結(jié)論

（1）采用自制的高溫可視化系統(tǒng)，對(duì)剛玉質(zhì)坩堝渣蝕過程中三相界面處侵蝕峰形貌的演變過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)記錄，揭示了產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，為耐火材料抗侵蝕能力評(píng)價(jià)和長壽化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持。

（2）結(jié)合高溫?cái)?shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，獲得了塊狀剛玉試樣上表面受熔渣侵蝕過程中其側(cè)面的應(yīng)變分布云圖、全場(chǎng)平均應(yīng)變-時(shí)間曲線。結(jié)果表明，塊狀剛玉試樣上表面受熔渣侵蝕過程中，其側(cè)面的應(yīng)變分布云圖與耐火材料內(nèi)部的熔渣侵蝕、滲透區(qū)域分布具有較大的相似性，表明二者之間存在較大的相關(guān)性，因此可以采用動(dòng)態(tài)應(yīng)變分布云圖來反映耐火材料受熔渣侵蝕、滲透狀況的動(dòng)態(tài)發(fā)展過程。