锰钢是一类用得比较广泛、用量较大的合金钢。连续铸钢虽然发展十分迅速。在锰钢浇铸时,采用浸入式水口和保护渣浇铸是解决连铸板坯纵裂的一项关键措施。因此侵入式水口耐火材料的选用也比较重要,河南耐火砖科瑞耐材经过搜集,整理了关于锰钢侵入式水口与莫来石质耐火材料发生的化学侵蚀。
浸入式水口使用时所处的条件比一般浇铸用水口要苛刻得多。其一部分要浸泡在结晶器的钢液与保护渣中,处于高温受热状态,和在钢流的冲击下;而另一部分的外部又露在空气中。因此,对浸入式水口的材质要求:
1.热稳定性要好;
2.能抗钢液侵蚀与冲刷;
3.高温强度好,在钢流冲击与热应力下不会发生断裂(浸入式水口断头);
4.抗保护渣侵蚀。对后一项可以采取在浸入式水口渣线部位涂保护层或套保护管以及采取合适的保护渣成分来解决。
锰钢中的Mn与莫来石质耐火材料的反应如下:
从Al2O3-SiO2相图可以看出(下图),当硅酸铝质耐火材料中Al2O3含量大于71%时,其存在的矿物相就只有莫来石(3Al2O3·2SiO2)与刚玉。
Al2O3-SiO2系相图
前面已指出,[Mn]是不会与刚玉发生化学反应的,因此一般Al2O3含量大于71%的高铝质耐火材料能够支持下列反应的进行:
4[Mn]+3Al2O3·2SiO2(s)=3Al2O3(s)+4(MnO)+2[Si] (4)
3Al2O3(s)+2SiO2(s)=3Al2O3·2SiO2(s)
在1550℃时的△C–为-23.4kJ(-5600cal)。
再由之前文章《连铸锰钢与SiO2质侵入式水口耐火材料发生的化学侵蚀》中式(2)算得反应:
4[Mn]+2SiO2(S)=4(MnO)+2[Si]
在1823K时的△G–=163.2kJ(39000cal)。由此可得出反应式(4)的△G–1823=186.6kJ(44600cal)。
从Al2O3-SiO2-MnO系1550℃的等温截面,下图可知,在1550℃时莫来石与刚玉饱和的液相组成为:37%SiO2、37%Al2O3和26%MnO,液相中MnO的摩尔浓度为0.27mol/L。
Al2O3-SiO2-MnO三元系平衡图
由于Al2O3-SiO2-MnO系中MnO的活度数据尚缺,但根据SiO2-MnO系相图及其活度图情况,以及在此三元系中能生成锰铝榴石化合物(3MnO·Al2O3·3SiO2);估计MnO在此三元系中的活度值要比0.1低。为保险计,就设a'(MnO)仍等于0.1;由[Mn%]’=1.5,[si%]’=0.3;利用反应式(4)的范特荷夫等温方程式,可算出1550℃时反应式(4)的自由能变化为:
△G=-14.2kJ(-3400cal)
即锰钢中的[Mn]能与莫来石发生反应,科瑞生产的此材质耐火材料有刚玉莫来石砖、莫来石聚轻砖、刚玉莫来石浇注料、轻质莫来石浇注料等。