耐火材料工作襯的抗溶渣侵蝕性,主要決定于其化學礦物性質(相組成)和結構特征,并與晶體的大小密切相關。
酸性耐火材料如蠟石磚,在鋼包上使用時以溶蝕方式損毀,是由于SiO2在浸透熔渣達到飽和后即可使侵入熔渣的粘度增大1~2個數(shù)量級。因此,熔渣的浸透速度變小,只有工作襯表面的耐火材料組分向熔渣中溶解。
在耐火材料表面進行單純的溶解蝕損時,溶解速度決定于耐火材料本身的成分、生成液相的數(shù)量、液相種類和耐火材料組分對液相的飽和濃度以及液相的粘度,并隨溫度的上升而增加。
由于耐火材料以溶解為主要方式蝕損,屬于較嚴格的物理化學過程,所以擴散則具有重要的意義。
由費克(Fick)擴散第一定律可知,耐火材料向熔渣中的擴散速度為:
如果用δ表示擴散層的厚度,耐火材料工作襯在擴散層中從緊接其表面的溶解濃度ns(接近于飽和濃度)均勻地降到熔渣中的濃度n,則擴散層中的濃度梯度為:
式3說明,耐火材料的蝕損速度還決定于它的表面積S。S不僅應理解為直接與熔渣接觸的工作襯的表面積,還包括熔渣浸入氣孔和裂縫的表面積。S與耐火材料的氣孔率(&A)存在如下關系式:
總起來說,耐火材料的氣孔率應當包括:氣孔大小和形狀(比表面積/氣孔的體積(總氣孔率)氣孔種類,即是開口氣孔(顯氣孔)還是封閉氣孔,因為前者便于外來物質的入侵(說明封閉氣孔比開口氣孔有利)。
由式4可知,耐火材料的抗熔蝕性能隨其氣孔率的降低而提高。一般認為,氣孔率小于5%能大大提高耐火材料的抗熔蝕性能。
眾所周知,化學反應惰性決定了耐火材料是否能與接觸的熔渣發(fā)生溶解反應以及溶解反應的程度,而耐火材料的密度在很大程度上則決定這種溶解反應的動力學條件。所以,提高耐火材料的密度對于減少熔渣蝕損具有重要的意義。因為,密度高時不僅可以減少耐火材料與熔渣發(fā)生溶解反應的總面積,而且還可以保證耐火材料工作襯的重量同侵入的熔渣相占最大的比重。
應當指出:雖然體積密度一般用來評價耐火材料致密程度的標準,但它不能表明開口氣孔與封閉氣孔的比例。因為“氣孔聚合”易于形成開口氣孔,而不會導致更多的封閉氣孔的形成。
式5說明,耐火材料在熔渣中的溶解速度隨熔渣粘度的降低而增加。
熔渣粘度η不僅決定于其本身的特性,而且取決于熔渣的溫度(隨溫度上升成指數(shù)倍降低)。
根據(jù)粘度公式:
公式6、7可以說明,在熔渣中存在固相懸浮體時,是降低耐火材料熔損的一個重要途徑。
關于溫度對η的影響,認為簡單的不締合熔體滿足于弗蘭克利方程式:
對于煉鋼熔渣的粘度而言,式8只是近似的。不過,粘度η隨溫度的上升成指數(shù)倍下降的規(guī)律卻是存在的。在不同的溫度下,熔渣粘度存在如下關系:
式9說明,溫度愈高,耐火內襯熔損就愈快。