电磁场作用下钢水/熔渣与MgO-C耐火材料界面反应机理研究

电磁场在钢铁冶金工业中的存在领域日趋广泛，如对金属熔体进行非接触式加热、搅拌、分离、流速及形状控制时所用的电磁场，以及电弧产生电磁场等。由于金属钢与非金属渣/耐火材料晶体结构完全不同，在高温时电磁场会对其界面反应存在的电子交换和转移产生影响，从而使界面反应呈现新的特点和机理。本项目将对电磁场作用下钢水/熔渣与MgO-C耐火材料界面反应层显微结构（包括成份、相组成、气孔、晶粒度）进行研究，建立电磁场强度、频率与界面层显微结构参数的相关性，弄清电磁场下含碳材料中碳氧化和MgO-C反应对其界面反应的影响机制，阐明电磁场与熔渣/MgO-C耐火材料界面反应动力学参数的关系；通过建立电磁场作用下钢水/熔渣与MgO-C耐火材料界面反应的理论模型，揭示其界面反应受电磁场作用的机理。本项目研究对丰富在电磁场作用下MgO-C材料的应用及优化的认识有积极意义。

由于熔渣与耐火材料高温下的反应存在电子转移和交换，当电磁场存在时，会对渣与耐火材料界面反应机理产生影响。本项目以MgO-C耐火材料为研究对象，通过对比有无电磁场作用下MgO-C耐火材料抗熔渣侵蚀后的显微结构变化，揭示电磁场对其界面的影响机理。研究表明：（1）电磁场会使耐火材料渣蚀后出现明显的渗透层，生成的低熔相主要为钙镁橄榄石(CaMgSiO4，CMS)和镁橄榄石(Mg2SiO4，MS)；无电磁场时，MgO脱落并熔解到熔渣中，与Al2O3形成MgAl2O4；生成的低熔相主要为钙铝黄长石(Ca2Al2SiO7，C2A2S)和钙镁黄长石(Ca2MgSi2O7，C2MS2)。高温下存在的电磁场，使渣中Fe2+/3+具有较高的扩散系数和渗透性，形成镁铁尖晶石，以及少量的镁铝尖晶石或固溶相；而无电磁场环境下，只生成镁铝尖晶石相。（2）在电磁场环境中，MgO–C质耐火材料界面处没有发生Mg(g)氧化反应，未形成MgO致密层；在无电磁场环境中，MgO–C质耐火材料界面处形成了明显的MgO致密层；电磁场提高了MgO的溶解速率和Mg(g)排出动力，抑制了MgO致密层的形成。(3) 磁场下MgO和石墨的反应由反应产物通过渗透层的扩散所控制，其侵蚀速率服从抛物线方程；无磁场时MgO-C耐火材料侵蚀过程由MgO的溶解扩散控制。磁场下MgO-C耐火材料的侵蚀过程为：首先MgO与碳在反应点反应生成CO(g)和Mg(g)，然后CO(g)和Mg(g)沿MgO与碳反应生成的间隙向耐火材料表面扩散，最终从渣中排出，从而导致渣对MgO-C耐火材料的渗透与熔损；无磁场时MgO-C耐火材料的损毁主要表现为渣对MgO渗透、溶解和渣对碳的氧化。磁场存在时，侵蚀后试样存在明显的渣蚀层、渗透层和原质层，MgO与碳剧烈反应导致耐火材料形成大量空隙，使渣易于向耐火材料渗透。而无磁场时，渣蚀后的试样存在渣蚀层和原质层，渣由MgO颗粒边界和晶界侵入进而对MgO-C耐火材料的产生侵蚀。