熔渣与耐火材料外表面和经迁移与内表面接触后, 可发生以下反应: 耐火材料向熔渣中溶解—单纯溶解;形成易溶的化合物—反应溶解;直接形成低熔物;发生使耐火材料还原的反应;发生使耐火材料组分氧化的反应;形成比容差别很大的新产物等。这些反应都引起耐火材料侵蚀,给耐火材料带来危害。当熔渣流动时,不仅通过对耐火材料的冲刷作用直接对耐火材料进行侵蚀,还通过带走上述反应产物, 促进反应进行, 加速对耐火材料的侵蚀。
(1) 耐火材料向熔渣中溶解—单纯溶解和反应溶解。
① 控制溶解的因素。当熔渣与耐火材料接触时,若两者的某些组分的质量浓度相差较大, 由于两者间的化学位相差较大, 如耐火材料组分的质量浓度较高, 具有较高化学位, 而熔渣中的组分的质量浓度较低, 则物质从化学位较高的耐火材料向化学位较低的熔渣传递,使耐火材料中的组分被熔渣溶解, 直至该组分在耐火材料和熔渣中的化学位达到平衡,即溶解达到某一特定温度下的饱和浓度(溶解度) 为止。
这种单纯溶解是许多耐火材料与熔渣进行反应的最主要形式。有人甚至认为渣蚀就是耐火材料的溶解过程。当耐火材料与外来物进行化学反应形成易溶化合物时,会加速耐火材料向熔渣中溶解。
② 溶蚀的危害。由单纯溶解和反应溶解引起的侵蚀通常称为溶蚀。它不仅直接造成耐火材料一些溶解组分的损失(改变了耐火材料的化学组成) , 而且破坏了耐火材料的结构。当多相耐火材料中可溶物溶入渣中后, 残留相被孤立, 耐火材料的致密结构被破坏, 加速了渣蚀。由于熔渣的化学组成改变, 影响了熔渣的性质并在一定程度上影响了冶炼过程, 其中的不溶性残留相还能给产品带来不利影响。
③ 降低溶蚀速度的措施。降低溶解速度, 必须从以下几个方面采取措施: 降低溶解度和耐火材料在熔渣中的浓度差值; 降低扩散系数和提高扩散层厚度。
为了降低溶解度, 除降低温度外, 应尽量使熔渣与耐火材料间的化学位相近, 如碱性耐火材料抵抗碱性熔渣的侵蚀能力很强, 而酸性熔渣以选用酸性耐火材料为宜。
一般认为耐火材料向熔渣中溶解的传质过程处于扩散速度范围内。为了控制耐火材料向熔渣中的扩散,除降低溶解度外,还可通过提高熔渣中溶质的浓度、降低扩散系数以及提高扩散层厚度等方法来实现。如在炼钢炉中, 当以镁质耐火材料为炉衬时, 以白云石造渣, 使渣中的MgO的质量浓度提高, 即可使耐火材料的抗渣性得以改善。
(2 ) 耐火材料的结构崩裂。结构崩裂是指耐火材料受到侵蚀, 当其物相和结构变化到一定程度时, 耐火材料的崩坏现象。渣蚀引起的结构崩裂, 一般认为是由于形成变质层和形成比容差别较大的产物引起的。
① 变质层的形成。变质层的形成, 是由于熔渣的渗入所致。在渗入过程中, 由于材料内温度梯度和熔渣黏度的影响, 熔渣侵入到一定深度后, 就不再继续渗透。从耐火材料热面到其内部一定的深度, 就形成了组成与结构有别于原材料的变质层。而且熔渣在渗透时还发生“化学过滤”, 沿熔渣的渗透方向, 其化学组成和物相组成都可能不断地发生改变。因此,变质层内随其厚度的变化, 其组成与结构也有一定差别。
② 结构的崩裂。在变质层的形成过程中, 由于形成的产物间和原材料间的比容和热膨胀性等有差别, 在变质层与原材料之间或变质层内各层之间, 因各种物相摩尔体积变化而产生结构应力,并破坏其间的结合,形成裂纹,甚至产生剥落和崩裂。这种体积变化为如含MgO 的碱性耐火材料同Fe2 O3 的熔渣接触时,生成 MgO·Fe2O3,即发生反应MgO + Fe2 O3→MgO·Fe2 O3 。依式计算结果可知此种反应伴生 2 .1% 的线膨胀, 因而使耐火材料产生结构崩裂。再如硅酸铝质耐火材料受碱蒸气的侵蚀, 也是由于莫来石或刚玉和SiO2 等受氧化钠侵蚀形成霞石( Na2O·Al2 O3·2SiO2 ) , 产生体积膨胀, 导致结构崩裂。耐火材料中的气孔内在还原性气氛下发生碳素沉积, 使耐火材料的结构破坏, 也可认为是一种结构崩裂。