基于數字圖像相關法的鋁鎂質耐火材料抗侵蝕性能研究

楊鵬鵬，魏國平，黃 奧，李昇昊，顧華志

(1.武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點試驗室，武漢 430081； 2.浙江自立高溫科技股份有限公司，紹興 312300)

0 引 言

耐火材料被廣泛應用于國民經濟和國防建設等多個領域，是鋼鐵、建材、化工、能源等高溫工業不可替代的關鍵基礎材料[1]，其中約65%應用于鋼鐵行業[2]。在鋼鐵冶煉過程中，鋼渣侵蝕和滲透是造成耐火材料損毀的主要原因之一。在高溫復雜環境下難以直接對耐火材料渣蝕損毀過程進行觀察和研究。檢測耐火材料抗侵蝕能力的傳統方法主要是對侵蝕后樣品進行測試分析，分為靜態法和動態法兩種，其中靜態法包括浸漬法[3]、座滴法[4]和靜態坩堝法[5-6]等，動態法包括回轉抗渣法[7]、旋轉浸漬法[8-9]和感應爐抗渣法[10]等。以上方法可以獲得被侵蝕過后的耐火材料試樣，但無法了解到侵蝕過程的動態情況。

數字圖像相關(digital image correlation, DIC)法[11-12]是一種用于測量變形物體表面位移和應變信息的非接觸式光學測量方法[13]，原理是基于被測物體變形前后表面灰度場的特征匹配來獲取位移應變等信息[14]，具有適用范圍廣(適用溫度可達2 000 ℃[15])、操作簡單、測量精度高(可達到0.01像素或更高[16])等優點[17-18]，目前已被應用于高溫下材料形變高精度測試[19-21]。理論計算或等效伸長計測試對比，DIC法的測量結果誤差小[22]，精確可信[23]。奧爾良大學等研究團隊通過DIC法探究了渣蝕過程中圓柱型鋁土礦耐火材料的直徑變化，產物的不同膨脹率是影響直徑變化的最主要因素[24]。考慮到耐火材料與鋼渣反應會造成材料組成與結構變化，進而造成耐火材料損毀，該過程必然伴隨著材料的結構形變[25]，DIC法在溫度上滿足了耐火材料在服役中的條件，在精度上可識別渣蝕過程中耐火材料表面的微應變。

因此，本文基于DIC法和高溫可視化系統，開展鋁鎂質耐火材料抗渣蝕行為的可視化研究，探討不同冶煉鋼渣和熱處理溫度對鋁鎂質耐火材料抗渣蝕行為的影響，以期為評價耐火材料渣蝕過程提供新思路。

1 實 驗

1.1 試樣制備

試驗所用鋼渣為實際煉鋼過程中獲取的三種典型鋼渣塊，主要化學成分如表1所示，三種鋼渣的四元堿度分別為0.53、1.19和0.75。將渣塊破碎研磨制成粉末，取一部分渣粉在50 MPa壓力下壓制成規格為φ20 mm×6 mm的圓柱渣樣，另取一部分壓制成規格為φ3 mm×3 mm的圓柱渣樣，將渣樣置于烘箱中，在110 ℃條件下干燥3 h，用于后續試驗。

表1 鋼渣的主要化學組成Table 1 Main chemical composition of steel slag

鋼包工作襯鋁鎂質耐火預制塊的主要化學成分為Al2O3(≥93%，質量分數，下同)、MgO(≥3%)，以及少量SiO2(≤2%)、Fe2O3(≤0.5%)和CaO(≤0.5%)，體積密度為3.17 g/cm3，顯氣孔率為7.7%。將該預制塊加工制成尺寸為45 mm×25 mm×25 mm的長方體耐火試塊。利用Speckle Generator(Correlated Solutions, Inc, America)軟件生成直徑為1.5 mm、分布密度為55%、隨機度為75%的散斑圖案，將其印刷于PVC板，使用打孔器在PVC板散斑點對應位置開孔后，制得散斑標記板。將標記板緊貼長方體耐火試塊的待觀察面，利用氣動噴槍將黑色耐高溫標記噴繪于耐火試塊的觀察面，制得隨機散斑。為探究熱處理對鋁鎂質耐火材料抗侵蝕性能的影響，從低到高選取了600、1 000和1 500 ℃三個溫度點，將耐火試塊分別在各溫度下保溫3 h，再開展高溫抗渣蝕試驗。

1.2 試驗設備

試驗采用的高溫可視化系統(見圖1)包含加熱單元和圖像采集單元。加熱單元為高溫可視爐，將樣品放在爐腔中央位置，通過溫控面板控制升溫程序，由可視窗觀察整個侵蝕過程，窗口配備兩塊高質量光學石英玻璃，以減小玻璃對圖像質量的影響[26]。圖像采集單元包括相機、光源和濾光片組，其中相機型號為BFS-U3-123S6M-C，成像芯片為CCD。光源為中心波長為450 nm的藍光燈，濾光片組固定在相機鏡頭前，包括帶通濾光片和中性灰度濾光片[27]，側面放置氣動裝置(立式風扇)來減少熱氣流擾動的影響。使用SpinView(FLIR Integrated Imaging Solutions, Inc)軟件連接相機進行實時圖像采集。

1.3 試驗過程

測定鋼渣熔化溫度時，將φ3 mm×3 mm的圓柱渣樣放入可視爐中，設置可視爐升溫速率在室溫～1 000 ℃為10 ℃/min，1 000 ℃后為5 ℃/min。在溫度到達到1 000 ℃時開啟相機和藍光燈，以6 s/張的采集速率進行圖像采集，記錄鋼渣高度及形貌變化，待渣樣完全融化后結束試驗。

圖1 高溫可視化系統Fig.1 High temperature visualization system

進行渣蝕試驗時，將耐火材料試塊置于爐腔中央，散斑標記面正對可視窗口，渣樣放在耐火材料上表面中心位置。爐溫在1 000 ℃以下時高溫爐升溫速率為10 ℃/min，爐溫在1 000～1 600 ℃時高溫爐升溫速率為5 ℃/min，爐溫達到1 600 ℃后保溫2 h。溫度升高到1 000 ℃時，打開相機和光源，以3 s/張的采集速率進行圖像采集，記錄耐火材料表面散斑標記的位移變化，直至保溫結束。

1.4 結果表征

利用Image J軟件對熔化溫度圖像進行計算，溫度與時間之間的關系如式(1)所示。

T=T0+Vt

(1)

式中：T為任意時刻溫度；T0為初始溫度，T0=1 000 ℃；V為升溫速率，V=5 ℃/min；t為時間，通過圖像序號及圖像采集時間間隔(3 s)獲得，由此測得渣樣的熔化溫度(半球點)。通過VIC-2D軟件對渣蝕試驗圖像進行計算，根據選定圖像區域內的平均應變來繪制平均應變曲線以及選定圖像區域內的應變分布來繪制應變云圖。通過分析侵蝕平均應變曲線來對比不同鋼渣以及熱處理溫度對渣蝕行為的影響，通過侵蝕應變云圖分析不同鋼渣對耐火材料的滲透侵蝕演化趨勢，最后采用掃描電子顯微鏡(JSM-6610， JEOL， Tokyo， Japan)和能譜儀(QUANTAX， Bruker， Berlin， Germany)對熔渣和耐火材料界面進行顯微結構分析。

2 結果與討論

2.1 侵蝕平均應變曲線分析

圖2為三種鋼渣侵蝕1 500 ℃熱處理耐火材料的平均應變曲線。三種鋼渣侵蝕耐火材料行為趨勢相似，但鋼渣S1和鋼渣S2、S3侵蝕滲透耐火材料的速率有較大的差異。平均應變曲線共分為四個階段：1)隨著溫度的升高，熱應力導致耐火材料表面產生應變；2)到達曲線的第一個拐點時，液態鋼渣滲入耐火材料，侵蝕也隨即發生，鋼渣的滲透和侵蝕造成材料表面產生應變，該階段鋼渣S1侵蝕滲透速率明顯高于鋼渣S2、S3；3)鋼渣和耐火材料的持續作用，鋼渣的量逐漸減少，擴散速率逐漸降低，滲入耐火材料的鋼渣繼續侵蝕耐火材料，此階段侵蝕造成材料表面產生應變;4)曲線趨于平緩，鋼渣被完全消耗，鋼渣S1、S2、S3侵蝕耐火材料的最大平均應變分別為0.035、0.016、0.018。

鋼渣S1侵蝕耐火材料的平均應變較大，對侵蝕過程進行具體分析。鋼渣S1(熔化溫度約1 483.5 ℃)侵蝕三種溫度熱處理耐火材料的應變曲線如圖3所示。鋼渣S1侵蝕600、1 000、1 500 ℃熱處理耐火材料的最大平均應變分別為0.081、0.062、0.035，熱處理溫度和鋼渣S1侵蝕材料的最大平均應變呈正相關。另外，三種熔渣的侵蝕溫度分別為1 491、1 425、1 441 ℃，熔化溫度分別為1 483.5、1 367、1 417 ℃，可以發現鋼渣的熔化溫度越低，侵蝕發生的時間越早。

圖2 鋼渣侵蝕1 500 ℃熱處理耐火材料的應變曲線Fig.2 Strain curves of steel slag corrosion refractory heat-treated at 1 500 ℃

圖3 鋼渣S1侵蝕三種溫度熱處理耐火材料的應變曲線Fig.3 Strain curves of stell slag S1 corrosion refractory heat-treated at three temperatures

2.2 侵蝕應變云圖分析

2.2.1 侵蝕結果分析

圖4為耐火材料被侵蝕后的SEM照片，圖5為鋼渣S1侵蝕三種溫度熱處理耐火材料的應變云圖，標尺e1表示格林-拉格朗日應變張量的特征值,即試樣主應變。云圖根據耐火材料表面應變分布繪制，侵蝕區域應變為0.08～0.10時，云圖顏色為紅色，滲透區域處于侵蝕層和原質層之間，應變為0.04～0.08時，云圖顏色為黃色和綠色，原質層應變低于0.04時，云圖顏色為藍色。

圖4 鋼渣S1侵蝕耐火材料的表面形貌Fig.4 Surface morphology of steel slag S1 corrosion refractory

圖5 鋼渣S1侵蝕應變云圖Fig.5 Corrosion strain nephogram of steel slag S1

鋼渣S2、S3的侵蝕應變云圖如圖6和圖7所示。耐火材料抗鋼渣S2、S3侵蝕的能力很強，二者的侵蝕結果較為相似，侵蝕僅集中在頂部小區域，圖中箭頭所指區域由骨料填充，應變較低。

圖6 鋼渣S2侵蝕應變云圖Fig.6 Corrosion strain nephogram of steel slag S2

圖7 鋼渣S3侵蝕應變云圖Fig.7 Corrosion strain nephogram of steel slag S3

2.2.2 侵蝕過程分析

為了解鋼渣S1和S2侵蝕1 500 ℃熱處理耐火材料過程中的滲透與侵蝕情況，取6張關鍵應變云圖進行分析。鋼渣S1滲透侵蝕過程中的云圖變化如圖8所示，試驗溫度為1 450 ℃時，材料表面全場應變低于0.01，鋼渣未滲入耐火材料。溫度達到1 500 ℃時，在應變為0.01～0.04出現了滲透區域。溫度升高到1 550 ℃時，耐火材料頂部出現了兩塊相鄰的滲透區域，首先發生滲透的區域產生了侵蝕現象，應變最高達0.07。溫度升高到1 600 ℃時，侵蝕區域侵蝕程度加深，同時滲透區域向下擴展。試驗進行到150 min時(1 600 ℃保溫30 min)，原滲透區域的耐火材料被鋼渣完全消耗，侵蝕程度進一步加深，對應區域的云圖變為紅色。剩余少量液態鋼渣繼續向下滲透侵蝕。試驗進行到最后，侵蝕區域大幅擴展，而滲透區域擴展較小。

圖8 鋼渣S1侵蝕1 500 ℃熱處理耐火材料關鍵應變云圖Fig.8 Key strain nephogram of steel slag S1 corrosion refractory heat-treated at 1 500 ℃

鋼渣S2的侵蝕演化趨勢與S1相似(見圖9)，但滲透侵蝕發生的時間不同。鋼渣S2的滲透侵蝕溫度為1 425 ℃，低于S1的滲透侵蝕溫度1 491 ℃。試驗溫度為1 600 ℃時，鋼渣S2侵蝕耐火材料的最大應變為0.07，而鋼渣S1侵蝕1 550 ℃熱處理耐火材料的侵蝕應變達到0.07。在80～150 min，液態鋼渣向耐火材料內部滲透的速率較高，滲透區域擴展較為明顯。此后，侵蝕和滲透以較高速率同時進行，當試驗進行到180 min時，侵蝕形貌基本形成，在試驗結束時侵蝕區域和滲透區域達到最大。

圖9 鋼渣S2侵蝕1 500 ℃熱處理耐火材料關鍵應變云圖Fig.9 Key strain nephogram of steel slag S2 corrosion refractory heat-treated at 1 500 ℃

2.3 顯微結構分析

圖10為三種鋼渣與耐火材料反應界面處的SEM照片，EDS結果如表2所示。

圖10 鋼渣S1、S2、S3侵蝕1 500 ℃熱處理耐火材料的SEM照片Fig.10 SEM images of steel slag S1, S2 and S3 corrosion refractory heat-treated at 1 500 ℃

表2 EDS分析結果Table 2 Analysis result of EDS

通過EDS表征結合背散射電子圖像對侵蝕結果進行分析，鋼渣S1與耐火材料骨料作用形成了一層致密的六鋁酸鈣(CA6)層，阻擋耐火材料進一步向骨料侵蝕，因而骨料形貌基本完整，只有邊緣被侵蝕。但耐火材料基質部分受到嚴重侵蝕，熔渣中的SiO2、MgO、Al2O3和CaO會在高溫作用下形成MgO-Al2O3-SiO2和CaO-Al2O3-SiO2玻璃相并優先與材料中的基質進行反應，形成CaO-MgO-Al2O3-SiO2系低熔點相，在高溫下低熔點液相加速造成耐火材料損毀，同時形成較多孔洞。因此，堿度最低的鋼渣S1(堿度為0.53)侵蝕耐火材料的應變明顯。

鋼渣S2(堿度為1.19)與S1相比，SiO2含量減少，CaO含量大幅增加，CA6致密層更厚,形成的低熔點相更少，向耐火材料中滲入的渣量更少,因而侵蝕程度較小。在鋼渣S3(堿度為0.75)中，鐵元素的含量較高，對耐火材料基質部分造成了較為嚴重的滲透，使得鋼渣S3造成的應變略高于S2，但較厚的CA6致密層阻擋了侵蝕的進一步發生。因此鋼渣S2、S3在渣蝕過程中造成的耐火材料的應變小于鋼渣S1造成的應變，即堿度越低的熔渣對鋁鎂質耐火材料的侵蝕越嚴重。

3 結 論

1)三種堿度由低至高的鋼渣侵蝕1 500 ℃熱處理耐火材料的最大平均應變分別為0.035、0.018、0.016，鋼渣堿度越低，侵蝕性越強；堿度為0.53的鋼渣侵蝕600、1 000、1 500 ℃熱處理耐火材料的最大平均應變由0.081降至0.035，材料經1 000 ℃以上溫度處理后，抗侵蝕能力得到有效提升。

2)與侵蝕形貌圖像相比，應變云圖更直觀地展示了滲透和侵蝕發生的區域及嚴重程度。對比同種鋼渣侵蝕不同溫度熱處理耐火材料的云圖發現，侵蝕區域隨著熱處理溫度的提高而減小，耐火材料的抗侵蝕能力得到提升。

3)鋼渣的侵蝕演化趨勢可概括為熔化和潤濕、溶解和擴散、結晶三個階段，但不同鋼渣各階段發生的時間不同。堿度為1.19的鋼渣熔化溫度低于堿度為0.53的鋼渣，侵蝕發生早且持續時間長，但堿度為0.53的低堿度鋼渣造成的最終侵蝕更嚴重。

4)高溫可視化系統結合數字圖像相關法比傳統侵蝕測試方法提供了更豐富的信息，平均應變曲線結合侵蝕應變云圖不僅可以評價耐火材料的抗侵蝕能力，還可以反映侵蝕過程及速率的變化，為耐火材料抗鋼渣侵蝕分析提供動態數據支持。