耐火材料在使用中,熔渣沿其气孔与裂隙通道渗入耐火材料内,并与之相互作用形成与原来耐火材料结构、矿物组成和性质不同的变质层。当温度发生波动或剧烈改变时,变质层与原耐火材料之间发生开裂、剥落,称为结构剥落。熔渣渗入越深,变质层越厚,结构剥落越厚,造成的蚀损越严重。结构剥落是炉外精炼这种间歇式生产设备所用耐火材料损毁的主要原因。
熔渣渗入耐火材料内的深度X可由下式评估:
式中,σ为熔渣的表面张力;r为耐火材料毛细通道的半径;θ为熔渣在耐火材料上的接触角;η为熔渣黏度;t为时间。
由于熔渣的表面张力σ大致在400×10-5~550×10-5N/cm之间,其值变化不很大,因此熔渣表面张力对渗入深度影响不大。
从上式可知,减少或阻止熔渣渗入耐火材料,可采取以下办法:
(1)加入与熔渣润湿性差的石墨或其他耐火非氧化物到耐火氧化物中制成含碳或含其他耐火非氧化物的复合耐火材料。对于不是炼超低碳钢,又要求抗热震性、抗结构剥落性好的精炼炉,自然以采用镁碳砖或镁白云石碳砖为好。
(2)加入与熔渣能形成高熔点化合物或高黏度的组元到耐火材料中。例如加入Cr2O3到耐火材料,由于Cr2O3可与很多氧化物形成固溶体、高熔点化合物或熔化温度高的低共熔物,以及能使渗入的熔渣黏度增大;因此熔渣渗入的深度,含Cr2O3的耐火材料一般会比相应不含Cr2O3的耐火材料要浅。再如MgO-CaO耐火材料中CaO能与渗入渣的SiO2形成高熔点化合物2CaO·SiO2或3CaO·SiO2,因此也能抑制熔渣的进一步渗透。镁白云石砖中CaO含量对炉渣的渗透与侵蚀深度的影响是随着MgO-CaO耐火材料中CaO含量的增加,炉渣的渗透深度减少,而侵蚀深度却增大。
(3)制作气孔微细化的耐火材料。从熔渣渗入耐火材料内的深度公式可知,耐火材料气孔的半径越小,熔渣渗透越浅,结构剥落的危害越小。现已认识到使气孔结构微细化比单纯减少其气孔数量更能阻止熔体的渗透,提高其抗侵蚀能力。