De pollepelslaklijn is het gedeelte waar gesmolten staal in direct contact komt met lucht. Momenteelmagnesiumoxide-koolstofstenenworden meestal gebruikt voor de constructie van pollepelslakkenlijnen. Door het temperatuurverschil en het bestaan van een zuurstofrijke omgeving is de erosiesnelheid van dit deel aanzienlijk sneller dan die van andere delen. Bovendien veroorzaken het kantelen en de slakafvoer van gesmolten staal tijdens bedrijf grote schade aan de slakleiding. De gietlepellijn is dan ook een van de onderdelen met de hoogste onderhoudsfrequentie.
De levensduur van de gietslaklijn wordt voornamelijk beïnvloed en beperkt door drie aspecten: de externe omgeving, de kwaliteit van het vuurvast materiaal en de metselmethode.
1. Externe omgeving
De gietlepel is een apparaat voor het ontvangen van gesmolten staal en het uitvoeren van gietwerkzaamheden. De temperatuur van gesmolten staal ligt vaak rond de 1500 graden. Wanneer de gietslaklijn bij deze temperatuur in contact komt met lucht, zal er een sterke oxidatiereactie optreden. Bovendien heeft het temperatuurverschil van het contactoppervlak tussen gesmolten staal en lucht ook een zeer sterke invloed op de gietslaklijn. Het grote temperatuurverschil zal de thermische stabiliteit van de gietslaklijn ernstig op de proef stellen[20]. Tijdens frequente ontvangst- en stortoperaties zal het vuurvaste materiaal een zekere mate van barsten veroorzaken. Daarom heeft oxidatie bij hoge temperaturen in de externe omgeving een grote impact op de erosie van de slaklijn. Tegelijkertijd stelt de enorme temperatuurverandering hoge eisen aan de thermische stabiliteit van vuurvaste materialen. Onder de interactie van smeltverlies en instorting van vuurvaste materialen wordt de gietslaklijn gemakkelijk beschadigd en vindt er staalinfiltratie plaats.
LF-raffinageslak veroorzaakt gemakkelijk oxidatie en ontkoling van magnesia-koolstofstenen. LF-slak heeft een relatief lage viscositeit bij hoge temperatuur, heeft een sterke permeabiliteit in de ontkolingslaag en heeft een hoge oplosbaarheid in magnesiumoxide. Tegelijkertijd kan de slak gemakkelijk doordringen in de korrelgrens van de periklaas om magnesiumoxidezanddeeltjes te dissociëren, zoals weergegeven in figuur 2 (SA is slak in de figuur; TA is het snijpunt van drie stukken). Daarom is de levensduur van magnesietkoolstofstenen uit de LF-slaklijn relatief laag. Shen et al. heeft systematisch het schademechanisme bestudeerd van magnesium-koolstofstenen uit gietlepels tijdens het LF-raffinageproces, wat aangeeft dat kleinere MgO-korrelaggregaten gemakkelijk worden geërodeerd door slakken bij hoge temperaturen. Na erosie zal de slak blijven doordringen in het binnenste van het MgO-aggregaat langs de periklaaskorrelgrens, waardoor uiteindelijk de splitsing van het periklaasaggregaat ontstaat.
2. Vuurvaste kwaliteit
Currently, magnesite carbon bricks are mainly used for ladle slag lines. Both traditional magnesia carbon bricks and low-carbon magnesite carbon bricks, which are currently widely used, mainly use flake graphite as their carbon source. Flake graphite is generally selected from -197, -196, etc., that is, the particle size is greater than 100 mesh and the purity is higher than 97% or 96% (mass fraction). The binder is a thermosetting phenolic resin. During the carbonization reaction, the self-chain segments undergo cross-linking reactions to form a network structure that can form a mechanical interlocking force between magnesia sand particles and graphite. Graphite is the main raw material for the production of magnesia carbon refractory bricks, mainly due to its excellent physical properties: ① non-wetting of slag, ② high thermal conductivity, and ③ low thermal expansion. In addition, graphite does not melt with refractory materials, and graphite has high refractoriness. It is precisely because of this characteristic that mag-c bricks are selected for slag lines with harsh operating environments [24]. For low carbon magnesia carbon bricks (mass fraction of carbon ≤8%) or ultra-low carbon magnesite carbon bricks (mass fraction of carbon ≤3%), it is difficult to form a continuous network structure due to the low carbon content, so the organizational structure design of low carbon magnesia-carbon bricks is relatively complex. On the contrary, the organizational structure design of high carbon mag-carbon bricks (mass fraction of carbon>10%) is relatief eenvoudig.
Vanwege de gevoeligheid van magnesiet-koolstofstenen voor vocht en de invloed van de formulekeuze zullen de prestaties van magnesiet-koolstofstenen tot op zekere hoogte worden beïnvloed. Nadat magnesiumoxide-koolstofstenen vochtig zijn geworden, raakt de structuur los en ontsnapt water bij hoge temperatuur om meerdere lege kanalen te produceren, wat een negatief effect zal hebben op de thermische stabiliteit en corrosieweerstand van deze stenen, en het vermogen om met gesmolten staal om te gaan zal ook sterk verzwakt zijn. MgO-C is zeer gevoelig voor thermomechanische slijtage omdat de thermische uitzettingscoëfficiënt van MgO een hoge omkeerbaarheid heeft. Het bindmiddel van magnesiumoxide-koolstofsteen is ook een belangrijke factor die de kwaliteit van magnesiumoxide-koolstofsteen beïnvloedt. Te veel of te weinig bindmiddel zal de prestaties van magnesia-koolstofsteen beïnvloeden. Te weinig bindmiddel zorgt ervoor dat het poeder van magnesiumoxide-koolstofsteen losjes gebonden wordt en gemakkelijk kan worden gewassen en afgepeld; te veel bindmiddel zal ervoor zorgen dat de thermische schokstabiliteit en vuurvastheid van magnesia-koolstofsteen verslechteren, en er zullen te veel schadelijke elementen aan het gesmolten staal worden toegevoegd.
Wanneer de gietpan het gesmolten staal uit de convertor ontvangt, gaat dit vergezeld van een grote hoeveelheid slak. Het lage smeltpunt 2CaO·SiO2 in de slak lost op in de MgO-korrelgrens en reageert chemisch met de sporen van onzuiverheidselementen in de MgO-laag, die een belangrijke rol spelen bij het oplossen van vuurvaste magnesiumoxide-materialen. Vanuit het perspectief van converterslakken richt het onderzoek naar de prestatieverbetering van magnesiumoxide-koolstofvuurvaste stenen zich vooral op magnesiumoxidezand, antioxidanten en microstructuur.
Bovendien heeft de toevoeging van antioxidanten aan magnesia-koolstofstenen ook invloed op de kwaliteit ervan. Om de oxidatieweerstand van magnesia-koolstofstenen te verbeteren, wordt vaak een kleine hoeveelheid additieven toegevoegd. Veel voorkomende additieven zijn Si, Al, Mg, Al-S, Al-Mg, Al-Mg-Ca, Si-Mg-Ca, SiC, B4C, BN en Al-BC en additieven uit de Al-SiC-C-serie. De rol van additieven heeft hoofdzakelijk twee aspecten: enerzijds reageren additieven of additieven vanuit thermodynamisch oogpunt bij de werktemperatuur met koolstof om andere stoffen te genereren. Hun affiniteit met zuurstof is groter dan die van koolstof met zuurstof, en ze worden vóór koolstof geoxideerd, waardoor koolstof wordt beschermd. Aan de andere kant veranderen, vanuit kinetisch oogpunt, de verbindingen die worden gegenereerd door de reactie van additieven met O2, CO of koolstof de microstructuur van vuurvaste materialen van koolstofcomposiet, zoals het verhogen van de dichtheid, het blokkeren van poriën en het belemmeren van de diffusie van zuurstof en reactieproducten [28]. Momenteel wordt Al-poeder voornamelijk gebruikt in magnesiumoxide-koolstofstenen om koolstofoxidatie te voorkomen. Hoewel Al een sterk anti-oxidatievermogen heeft, reageert Al bij hoge temperatuur met C en N2 om Al-koolstof- en stikstofverbindingen te vormen. Onder hen is Al-carbide gemakkelijk te hydrateren tijdens het proces van hoge naar lage temperatuur, wat resulteert in de vorming van holtes in de magnesia-koolstofsteen, waardoor de structuur losraakt en barst.
3. Metselwerkmethode
Magnesiumkoolstofstenen in de slakkenlijn gebruiken over het algemeen droog metselwerk (direct stapelen van stenen zonder binding van vuurmodder) en nat metselwerk (met behulp van vuurmodder gecombineerd met vuurvaste stenen). Het voordeel van droog metselwerk is dat het de impact van vuurmodder minimaliseert. Bij hoge temperaturen is de thermische uitzettingssnelheid, als gevolg van de verschillende materialen van mag-c-stenen en vuurmodder, verschillend vanwege de temperatuur, waardoor er gemakkelijk openingen op het contactoppervlak ontstaan. Het nadeel van deze methode is dat er niet gegarandeerd kan worden dat de stenen 100% nauw contact maken. Tegelijkertijd is er, wanneer de magnesia-koolstofstenen door hitte uitzetten, geen ruimte voor buffering tussen de stenen, waardoor de stenen worden samengedrukt en gebroken; of door het uitzetten van de stenen wordt de hele slakkenlijn als geheel opgetild, en de enorme extrusiekracht zorgt ervoor dat de randplaat vervormt, en het vuurvaste materiaal zijn bescherming verliest en wordt gewassen en afgepeld, wat een grotere bedreiging voor de kwaliteit van de slakkenlijn.
De natmetselmethode is vergelijkbaar met de metselmethode in gebouwen, maar stelt strengere eisen. Het voordeel van deze methode is dat hiermee de gaten die bij droog metselwerk kunnen ontstaan, goed kunnen worden vermeden. Tegelijkertijd is de vuurmodder zwak bij hoge temperaturen. Wanneer de magnesia-koolstofstenen uitzetten als gevolg van hitte, kunnen ze vloeien om zich aan te passen aan de veranderingen in de openingen tussen de stenen, waardoor de extrusiekracht tussen de stenen wordt verspreid, waardoor het ontstaan van openingen wordt vermeden. Het nadeel van deze methode is dat het gebruik van vuurmodder de structuur van de slakkenlijn instabiel maakt en de moeilijkheidsgraad van het metselwerk vergroot. Als de vuurmodder ongelijkmatig is, zullen er nog steeds openingen tussen de stenen zijn.
