间(t)是拋物线关系。一旦熔渣渗透到耐火材料气孔内,耐火材料即会向渗透的熔渣中溶解扩散,而且熔渣组成的变化速度由扩散速度控制。假定平均气孔半径(r)不变时,耐火材料的成分在熔渣中达到饱和浓度的时间可以用式(2-17)表示。说明渗透到耐火材料气孔中的熔渣达到饱和的时间是非常之短的,也可以近似地认为:渗透到耐火材料中的熔渣,其组成几乎不变化(或与渗透时间无关)。
但是,由于耐火材料气孔径的不均匀性,耐火材料在熔渣渗透过程中溶解反应引起熔渣物理性质变化,以及耐火材料中温度不均匀等因素实际渗透深度(Lp)比由式(2-22)计算得出的深度(L理)要小,假定熔渣在渗透过程中,其物理化学性质均不变化时,对于毛细管-多孔质耐火材料来说,熔渣的渗透深度Lp为:
L2p=rtσ cosθ/2.8ηb2 (2-23)
式中b——气孔曲折度系数。
其理论值等于π/2≈1.57,实际值为b=1.6±0.1。
当在耐火材料中添加能够抑制熔渣渗透的物质时,同一种熔渣对于该耐火材料的渗透深度Lp:
L2p=rtσcosθ/2.8ηθ2 (2-24)
如果定义R2p=L2p/L2p=σcosθb2/σcosθb2 (2-25)
由于润湿的程度(润湿性的量σcosθ与耐火材料和熔渣的性质有关,而与熔渣的渗透时间无关,见式(2-25),因此可以将Rp尽定义为耐火材料抵抗熔渣渗透的系数。由式(2-25)看出,Rp小于1时,添加物可能促进熔渣向耐火材料内部渗透(渗透深度比理论值大);当Rp=1时,添加物对抑制熔渣渗透不起作用;当大于Rp>1时,添加物可以抑制熔渣向耐火材料中的渗透。Rp值越大,熔渣向耐火材料中的渗透深度就越小,也就是说,该耐火材料抵抗熔渣渗透的能力越强。
由式(2-25)可导出:
R²p=σssb2/σss·b2 (2-26)
式中σss——未添加抑制熔渣渗透的物质时的界面张力;
σss添加抑制熔渣渗透的物质之后耐火固相的界面张力。
由式(2-23)和式(2-25)得:
L2p=L2p/R2p=rtσcosθ/2.8R2pη
由式(2-22)和式(2-24)得:
L2p=L2理/1.4R2p(2-28)
即L'p=L理/1.18Rp(2-29)
根据L•扎格(Zager)公式,耐火材料中气孔半径r的平均值由下式求出:
r2=8K/Ap(2-30)
式中K——耐火材料的透气度,μm2;
Ap——耐火材料的显气孔率,%
耐火材料通过气孔吸收熔渣的量(体积v)为:
V=LpSAp(2-31)
式中S——耐火材料的截面积;
Ap——耐火材料的显气孔率;
Lp——溶渣的渗透深度。
将式(2-22)和式(2-27)代入式(2-31)得出耐火材料显气孔率对熔渣渗透影响的关系式为:
V2=A3/2K1/2S2tσcosθ/R2pη (2-32)
由于熔渣渗入耐火材料气孔中会引起其成分在熔渣中溶解,并导致熔蚀,因而可以认为:熔渣的渗透与耐火材料的溶蚀之间存在一定的关系。余仲达和井楠宏等(1993年)研究了这种关系。其结果得出,对于镁质耐火材料来说,两者之间存在指数关系,因而他们认为:为了有效地抑制镁质耐火材料的熔蚀,r/R²p应满足如下关系:
(σcosθ/η)r/R2p<0.08 (2-33)
即R²P>1.25rσcosθ/η (2-34)
式(2-33)和式(2-34)说明,抗渗透能力强和抗蚀能力强的镁质耐火材料应具备以下几点:
1.气孔半径(r)小(钢包熔渣不渗入小于5μm的气孔);
2.耐火材料的抗渗透系数Rp应较大;
3.熔渣与耐火材料之间的湿润性的量σcosθ应较小;
4.熔渣黏度(η)应大。
其中,在耐火材料中添加能够增加Rp值的物质对提高该材料的耐蚀性和抗渗透能力最为有效,所以,Rp表明了耐火材料的熔损与熔渣渗透之间的定量关系。
对于特定的耐火材料和熔渣组成而言,该耐火材料向这种熔渣中的溶解特性也就决定了。为了降低耐火材料向熔渣中的溶解速度,根据式(2-27)可有两种解决办法。
1.熔渣与耐火材料之间的润湿性的量σcosθ,并提高熔渣的黏度η值;例如,碳化硅质和氧化物-碳复合耐火材料属于这一类的耐火材料。
2.能够改变耐火材料和熔渣的性质、组成等物质,以增加该耐火材料抵抗溶渣渗透系数Rp值;例如,向镁质耐火材料添加Cr2O3者ZrO2等耐火材料。
还有一种例外的情况,就是在熔渣中使用的耐火材料,由于碳和ZrO2等能被V2O5及V2O3润湿,因此上述两种办法对这种使用条件都无能为力。所以,其解决办法主要是选用致密镁质原料,采用特殊颗粒级配以达到生产气孔径细化(r)的耐火材料。从而抑制熔渣向耐火材料内部的渗透。