李昇昊 黃 奧 顧華志 楊鵬鵬 付綠平 楊 爽

武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室 湖北武漢430081

熔渣侵蝕是耐火材料損毀的原因之一。檢測耐火材料抗渣性能的方法有靜態(tài)法（包括坐滴法、靜態(tài)坩堝法、浸漬法等）和動態(tài)法（包括旋轉(zhuǎn)浸漬法、感應(yīng)爐抗渣法、回轉(zhuǎn)抗渣法等），但這些方法主要依據(jù)對材料的“蝕后”分析來評價抗渣性能，無法了解渣蝕過程的動態(tài)情況。耐火材料-熔渣-空氣三相界面處的侵蝕一般比較嚴(yán)重［1-3］，其中Zou等［4］在剛玉耐火材料三相界面處發(fā)現(xiàn)有“類火山”形侵蝕峰出現(xiàn)，會對耐火材料產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。數(shù)字圖像相關(guān)（Digital Image Correlation，DIC）技術(shù)可用來分析在外力作用下試樣表面隨機(jī)分布的散斑的位置變化來測定試樣表面的變形［5］，比傳統(tǒng)的變形測量方法適用范圍廣，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，操作簡單，測量精度高［6-10］，在測量高溫過程中的變形方面具有獨特的優(yōu)勢［11-13］。

在本工作中，基于高溫可視化技術(shù)結(jié)合高溫數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，對剛玉坩堝-熔渣-空氣三相界面處侵蝕的演變過程、剛玉耐火材料受熔渣侵蝕和滲透過程中的全場應(yīng)變分布及其與熔渣侵蝕和滲透區(qū)域分布的相關(guān)性進(jìn)行了研究。

1 試驗

1.1 試驗材料

以剛玉坩堝（內(nèi)徑φ60 mm，外徑φ60.5 mm，高度60 mm，w（Al2O3）＞99%）為研究對象，從平行于坩堝孔軸線方向和垂直于坩堝孔軸線方向切除占2／3圓弧的坩堝壁，得到如圖1所示的試驗坩堝，用于剛玉坩堝-熔渣-空氣三相界面處“類火山”侵蝕峰的演變過程觀測。

圖1 試驗坩堝示意圖Fig.1 Diagram of corundum based crucible

取粒度≤0.074 mm、w（Al2O3）≥99.5%的燒結(jié)剛玉粉和粒度≤0.074 mm、w（MgO）≥97.0%的電熔鎂砂粉，按m（燒結(jié)剛玉粉）∶m（電熔鎂砂粉）＝95∶5的比例配料，外加3%（w）的PVA為結(jié)合劑，混練均勻后，在YAW-1000D型微機(jī)控制壓力試驗機(jī)上以100 MPa壓力成型為45 mm×25 mm×25 mm的樣坯，在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中于110℃固化24 h。利用Speckle Generator（Correlated Solutions Inc，America）軟件生成直徑1.5 mm、密度55%、隨機(jī)度75%的散斑圖案，然后利用氣動噴筆將尖晶石質(zhì)墨點印刷于試樣任一45 mm×25 mm的表面，制成帶有隨機(jī)散斑的塊狀試樣。

取w（Al2O3）≥99.5%的分析純Al2O3粉、w（CaO）≥98%的分析純CaO粉和w（SiO2）≥98%的分析純SiO2粉，按Al2O3粉、CaO粉、SiO2粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為52%、35%、13%和分別為43.33%、35%、21.67%兩種配比配料，經(jīng)混合、預(yù)熔、研磨制成Al2O3-SiO2-CaO三元系試驗渣粉S1和S2。取5 g試驗渣粉S2，以20 MPa壓力成型為φ20 mm的圓柱形渣樣。

1.2 試驗設(shè)備

試驗采用自制的高溫可視化系統(tǒng)，主要由加熱單元（開有可視窗口的高溫爐）和信號采集單元組成。加熱單元可以5～20℃·min-1的速率升溫到最高溫1 700℃；信號采集單元包括工業(yè)相機(jī)，單色光源（中心波長為450 nm），帶通濾光鏡（通帶寬度20 nm、中心波長為450 nm），中性灰度濾鏡和固定支架。

1.3 試驗過程

1.3.1 坩堝試樣三相界面侵蝕峰演變過程的圖像記錄

稱取38.6 g試驗渣粉S1放入試驗坩堝中，然后置于高溫可視化系統(tǒng)的高溫爐內(nèi)，將切口正對觀察窗口。按設(shè)定的升溫速率（室溫至1 000℃為10℃·min-1、1 000～1 600℃為5℃·min-1）加熱至1 600℃，并于1 600℃保溫2 h。在溫度升至1 350℃時開啟單色光源和工業(yè)相機(jī)，并開始計時，每間隔3 s記錄一次三相界面處侵蝕峰形貌，直至保溫結(jié)束。

1.3.2 塊狀試樣散斑標(biāo)記面的圖像記錄

將帶有隨機(jī)散斑的塊狀試樣放入高溫可視化系統(tǒng)的高溫爐內(nèi)，將有散斑的一面正對觀察窗口，將圓柱形渣樣S2垂直放置在塊狀試樣上表面正中央。按設(shè)定的升溫速率（室溫～1 000℃為10℃·min-1、1 000～1 600℃為5℃·min-1）加熱至1 600℃，并于1 600℃保溫2 h。在溫度升至1 350℃時開啟單色光源和工業(yè)相機(jī)，并開始計時，每間隔3 s記錄一次散斑標(biāo)記面的圖像，直至保溫結(jié)束。

1.3.3 分析與表征

利用Image J軟件（National Institutes of Health，America）對“1.3.1”中記錄的三相界面侵蝕峰生長過程的圖像進(jìn)行計算處理，獲得侵蝕峰形貌的演變過程；利用VIC-2D 軟件（Correlated Solutions，Inc，America）對“1.3.2”中記錄的散斑標(biāo)記面的圖像進(jìn)行計算處理，獲得其應(yīng)變場演變過程。

2 結(jié)果與討論

2.1 坩堝試樣三相界面侵蝕峰形貌的演變過程

從1 350℃至保溫結(jié)束，坩堝試樣三相界面侵蝕形貌變化見圖2，其中t是試驗時間。可以看出：隨著試驗時間的延長，“類火山”侵蝕峰高度和寬度逐漸發(fā)生變化，并在侵蝕一定時間后趨于穩(wěn)定。

圖2 三相界面侵蝕峰形貌的演變過程Fig.2 Evolution of corrosion peak morphology at the threephase interface

對比不同時間段峰高和峰寬的變化發(fā)現(xiàn)：侵蝕峰在T＝4 440 s之后才開始出現(xiàn)；在7 320 s之前，侵蝕峰主要向?qū)挾确较虬l(fā)展，高度變化不大；7 320 s之后，侵蝕槽主要向高度方向發(fā)展，寬度變化不大。分析認(rèn)為：在侵蝕初期，熔體中溶解的氧化鋁較少，熔體表面張力較小，且侵蝕峰發(fā)展尚不成熟，侵蝕峰半高寬部位所接觸熔體量更多，半高寬部位熔體更新速度相對較快，導(dǎo)致界面反應(yīng)劇烈，生成較厚的反應(yīng)層；但該反應(yīng)層將阻礙熔體的進(jìn)一步滲透和侵蝕，從而逐步限制侵蝕峰的橫向發(fā)展，熔體對反應(yīng)層較薄的侵蝕峰頂端滲透侵蝕逐漸加快，侵蝕峰縱向發(fā)展逐步占據(jù)優(yōu)勢?；趯θ嘟缑媲治g后形貌演變的分析，有助于進(jìn)一步認(rèn)識剛玉質(zhì)耐火材料三相界面處這種特殊的侵蝕現(xiàn)象發(fā)生的規(guī)律。

2.2 塊狀試樣應(yīng)變場演變過程及其與侵蝕程度的相關(guān)性

試樣觀測面在不同試驗時間的應(yīng)變分布云圖見圖3。從0 s至9 000 s的全場平均應(yīng)變-時間曲線見圖4，縱坐標(biāo)e1表示采用Langrange算法獲得的試樣主應(yīng)變的數(shù)據(jù)。

圖4 從0至9 000 s全場平均應(yīng)變-時間曲線Fig.4 Full field average strain-time curve from 0 s to 9 000 s

從圖3可以看出：1）在2 976 s時，圓柱形渣樣還沒有完全熔化，最大應(yīng)變及其所占區(qū)域均較小。2）3 360 s時，渣塊已經(jīng)熔化成饅頭狀；最大應(yīng)變變化不大，但其所占區(qū)域明顯增大。3）3 600 s時，饅頭狀熔渣高度減小，底部直徑略有增大，應(yīng)該有部分熔渣滲入試樣中；最大應(yīng)變顯著增大。4）4 215 s時，試樣上表面幾乎見不到殘渣，表明熔渣幾乎全部滲入試樣中；最大應(yīng)變有所增大，其所占區(qū)域明顯增大。5）9 000 s時，最大應(yīng)變有所增大；其所占區(qū)域橫向顯著增大，縱向有所減小。

圖3 不同試驗時間的應(yīng)變分布云圖Fig.3 Strain distribution nephogram at different times

從圖4可以看出：在3 000 s之前，全場平均應(yīng)變以較慢較勻的速率增大；在3 000～3 252 s段，全場平均應(yīng)變增大速率加快；在3 252～3 930 s段，全場平均應(yīng)變增大速率進(jìn)一步加快；在3 930 s后，全場平均應(yīng)變增大速率逐漸減慢；在4 365 s達(dá)到最大值后，全場平均應(yīng)變以較慢較勻的速率減小。

侵蝕試驗后塊狀試樣平行于觀察面從中部切割后的宏觀形貌照片見圖5。1 600℃保溫2 h后，塊狀試樣觀測面的應(yīng)變分布云圖見圖6。從圖5可以看出：侵蝕試驗后，試樣上表面接觸到熔渣的區(qū)域被侵蝕得凹凸不平；以凹凸不平區(qū)域的中心位置為中心，明顯存在呈扇形擴(kuò)展的三層結(jié)構(gòu)，依次為侵蝕層、滲透層和原質(zhì)層。其中，侵蝕層疏松多孔。從圖6可以看出，侵蝕層、滲透層和原質(zhì)層之間存在顯著的應(yīng)變梯度：侵蝕層應(yīng)變量為0.083～0.139，滲透層應(yīng)變量為0.06～0.083，與滲透層相接的原質(zhì)層應(yīng)變量為0.044～0.06。令人感興趣的是，侵蝕層、滲透層和原質(zhì)層的梯度應(yīng)變區(qū)域的形狀與侵蝕層、滲透層和原質(zhì)層的實際形狀有較大的相似性。這表明，塊狀剛玉試樣上表面受熔渣侵蝕過程中，其側(cè)面的應(yīng)變分布與其受熔渣侵蝕、滲透區(qū)域分布之間存在較大的相關(guān)性。因此，可以采用動態(tài)應(yīng)變分布云圖來反映耐火材料受熔渣侵蝕、滲透狀況的動態(tài)發(fā)展過程。

圖5 侵蝕試驗后塊狀試樣的宏觀形貌照片F(xiàn)ig.5 Photo of block specimens after corrosion test

圖6 1 600℃保溫2 h的應(yīng)變分布云圖Fig.6 Strain distribution nephogram after soaking at 1 600℃for 2 h

3 結(jié)論

（1）采用自制的高溫可視化系統(tǒng)，對剛玉質(zhì)坩堝渣蝕過程中三相界面處侵蝕峰形貌的演變過程進(jìn)行了動態(tài)記錄，揭示了產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，為耐火材料抗侵蝕能力評價和長壽化設(shè)計提供了技術(shù)支持。

（2）結(jié)合高溫數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，獲得了塊狀剛玉試樣上表面受熔渣侵蝕過程中其側(cè)面的應(yīng)變分布云圖、全場平均應(yīng)變-時間曲線。結(jié)果表明，塊狀剛玉試樣上表面受熔渣侵蝕過程中，其側(cè)面的應(yīng)變分布云圖與耐火材料內(nèi)部的熔渣侵蝕、滲透區(qū)域分布具有較大的相似性，表明二者之間存在較大的相關(guān)性，因此可以采用動態(tài)應(yīng)變分布云圖來反映耐火材料受熔渣侵蝕、滲透狀況的動態(tài)發(fā)展過程。