CN103940701B - 基于粘度动态测量的检测耐火材料抗侵蚀性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于粘度动态测量的检测耐火材料抗侵蚀性能的方法，包括步骤：1)将待测的耐火材料做成固定形状的定向测头，2)炉渣置于加热装置中，将加热装置升温至1600℃，保温一段时间待炉渣完全融化后将定向测头浸入到炉渣中；3)以一定的降温速度降温至1000‑1600℃；4)旋转定向测头，测量粘度和定向测头圆柱体部分被侵蚀减少的半径，求得侵蚀速率。本发明提出通过测量炉渣粘度变化，动态真实地反映耐火材料被炉渣侵蚀的状况，实现了耐火材料被炉渣侵蚀测量的瞬时性和真实性，既能反映一定时间炉渣侵蚀耐火材料的平均效果，也能通过计算初始侵蚀速率反映一定温度下固定组分炉渣侵蚀耐火材料的真实速率。

Description

基于粘度动态测量的检测耐火材料抗侵蚀性能的方法

技术领域

本发明属于耐火材料领域，具体涉及一种耐火材料抗侵蚀性能的检测方法。

背景技术

耐火材料具有高温隔热作用，在冶金工业，陶瓷工业，玻璃工业等工业中具有重要的作用。高温冶金炉,例如高炉等，广泛采用耐火材料作为衬里材料。炉渣在冶金工业中主要具有防止金属二次氧化，调节传热和质量传递等重要作用。在高炉中，耐火材料会与炉渣相互作用，被炉渣侵蚀，高炉的使用寿命在很大程度上取决于使用的耐火材料受炉渣侵蚀的情况。因此,测量耐火材料被炉渣侵蚀情况意义重大，现在许多研究者已经注意到实验检验和测量耐火材料抗炉渣侵蚀性能的重要性。

测量耐火材料抗炉渣侵蚀性能的方法一般可分为静态法和动态法，具体如下：

（1）静态法：首先在一定温度下，将耐火材料棒放入已经熔化的炉渣中或者把炉渣导入耐火材料坩埚中，而后保温让侵蚀反应充分进行，一段时间后反应停止，测量侵蚀深度，以此来计算侵蚀速率。静态法简单易行，但是测量结果只能反映平均侵蚀速率，与真实侵蚀速率差别较大；

（2）动态法：动态法相对于静态法而言，是增加了耐火材料和炉渣之间的运动，例如通过控制耐火坩埚或者耐火材料棒的旋转，或者使控制炉渣不断滴到耐火材料表面等等类似的方法。在实际的渣侵蚀过程中，耐火材料不断消耗，渣的成分不断更新，侵蚀速率是不断变化的。动态法只能得到一个平均侵蚀速率，不能真实反映耐火材料被炉渣侵蚀的状况。特别的，在一定成分的炉渣和耐火材料之间，只有 初始侵蚀速率才是真实侵蚀速率，而动态法不能反映这一点。

根据以上介绍可以看出，冶金工业上，耐火材料被炉渣侵蚀状况很大程度上影响着高炉的使用寿命，因此测量耐火材料被炉渣侵蚀的程度和速率具有重要意义。常用测量渣侵蚀耐火材料方法有静态法和动态法。静态法简单易行，但是不能反映真实侵蚀状况；动态法接近真实侵蚀状况，但是测量结果是一个平均效果，只能测量一段时间的平均侵蚀结果，而不能真实动态的反映渣侵蚀耐火材料的情况，特别是瞬时侵蚀速率。

针对以上问题，开发新的动态测量渣侵蚀耐火材料方法和实验，能够真实反映渣侵蚀耐火材料的状况，在工业上具有极其重要的意义。本专利所发明之方法，即是针对这一耐火材料测量的问题，能够实现炉渣侵蚀耐火材料侵蚀程度和侵蚀速率的动态真实测量。

发明内容

本发明目的是针对现有技术的不足，提出一种利用粘度动态测量耐火材料抗渣侵蚀的新方法，通过测量炉渣粘度变化，来反映炉渣侵蚀耐火材料的程度和速率，而瞬时侵蚀速率由于真实反映固定温度下固定成分的炉渣对于耐火材料的侵蚀状况，显得尤其重要。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于粘度动态测量的检测耐火材料抗侵蚀性能的方法，包括以下步骤：

1)将待测的耐火材料做成固定形状的定向测头，所述定向测头的形状为圆柱体下连接圆锥的形状；

2）炉渣置于加热装置中，将加热装置升温至1600℃，保温1-3小时，待炉渣完全融化后放入定向测头；

3)降温至1000-1600℃，旋转定向测头，测量粘度随时间变化，根据该温度下粘度与定向测头的半径关系计算出该定向测头半径随时间变化；

4）由被侵蚀减少的半径求得侵蚀速率。

本发明所测量的耐火材料，为耐火度不低于1580℃的无机非金属材料。包括硅系耐火材料、铝系耐火材料（Al₂O₃质量比例80%以上）、镁钙系耐火材料、镁铝系耐火材料（例如尖晶石耐火材料，主要成分的化学式为MgO-Al₂O₃,含MgO为24-30%,Al₂O₃为55-75%，Na₂O含量在8%-15%之间），均可采用本发明的方法进行测试。

其中，所述步骤1）中，定向测头浸入到炉渣中的深度为2cm。优选地，所述步骤2）中，升温的速率为4-6℃/min，降温的速率为4-6℃/min。

为了使得炉渣的成分充分混合均匀，步骤2）中，加热装置升温至1600℃后保温1.8-2.5小时。

优选地，所述步骤2）中，降温至1000-1600℃后再保温20-40min。

其中，所述步骤3）中,在20-40min内测量10-20个粘度数据。

进一步地，所述步骤3)和4）为：

3)旋转定向测头，测量粘度和定向测头圆柱体部分半径随时间的变化，具体为：取定向测头圆柱部分半径依次相差1-2cm的定向测头，测定不同温度T下粘度的数值；

半径对应时间的关系为r=r(t)；

设测量粘度的温度为T，粘度随时间变化为η=η_T(t)，该温度下粘度与半径的关系为η=η_T(r)。

4）根据定向测头半径随时间的变化关系可以得到侵蚀速率：侵蚀速率记为R_c，于是t₁至t₂时间段的侵蚀速率可以计算为：R_c=[(r(t₁)-r(t₂))/(t₂-t₁)]。

本发明提出的方法，可采用现有的粘度测量装置和加热装置组合。

优选地，用于本发明所述检测耐火材料抗侵蚀性能的方法的装置，其包括管式炉、坩埚、旋转粘度仪、定向测头，所述坩埚置于管 式炉中；所述定向测头通过长度可调的悬线连接在旋转粘度仪下方，所述管式炉设置有通入氮气的装置。向管式炉通入氮气来保证坩埚不被氧化。

本发明的有益效果：

本发明提出通过动态测量炉渣侵蚀耐火材料的方法，充分考虑耐火材料被渣侵蚀引起炉渣组分变化，由此导致炉渣粘度的变化情况，通过测量炉渣粘度变化，来动态真实地反映耐火材料被炉渣侵蚀的状况。本发明利用了组分变化决定物性变化这一特征，通过测量粘度来反映耐火材料被炉渣侵蚀程度，实现了耐火材料被炉渣侵蚀测量的瞬时性和真实性，既能反映一定时间炉渣侵蚀耐火材料的平均效果，也能通过计算初始侵蚀速率反映一定温度下固定组分炉渣侵蚀耐火材料的真实速率。

本发明设备简单，易操作，充分利用粘度信息，结果真实准确。

附图说明

图1本发明实施例1粘度动态测量的装置简图

图2耐火材料测头正面视图。

图3侵蚀程度（以半径表示）随时间的变化曲线。

图中，1.粘度显示器；2.电动机；3.上圆盘；4.悬线；5.下圆盘；6.加热炉；7.炉管；8.耐火材料测量头；9坩埚；10.炉渣；11.热电偶。

具体实施方式

本发明提出的方法可以测量硅系、铝系、镁钙系、镁铝系等多种耐火材料。以下以其中一种耐火材料为例来声明本发明。本领域技术人员应当知晓，以下实施例只用于说明本发明，不用于限制本发明的范围。

实施例中使用的粘度测量装置为RTW-10型熔体物性综合测定仪。

实施例1：实验确定粘度和半径的关系

1）把铝质耐火材料切削加工成图2所示形状的耐火材料测量头，耐火材料的化学成分为CaO:1.1%,SiO₂:12.0%,Al₂O₃:85.1%,FeO:0.4%。耐火材料测量头圆柱部分半径依次取10.2cm,9.5cm,8.5cm,7cm,5cm。

2）取10.2cm为耐火材料测量头初始半径，其他半径相对于初始半径减少的质量作为侵蚀量，加到炉渣之中。

3）分别用不同半径的耐火材料测量头测量相应炉渣成分下1550℃,1500℃和1450℃的粘度，得到表1粘度数值与侵蚀程度的关系。此为整个侵蚀测量的参考粘度点。

表1粘度数值与侵蚀程度的关系

实施例2测量温度为1550℃炉渣对铝质耐火材料的侵蚀状况

1）把铝质耐火材料切削加工成图2所示形状的耐火材料测量头，耐火材料的化学成分为CaO:1.1%,SiO₂:12.0%,Al₂O₃:85.1%,FeO:0.4%。参见图1，该耐火材料测量头8为圆柱体下连接圆锥的形状，圆柱部分半径10.2cm。圆柱上方有连接部分测头上方┻┻形状作用是连接悬线4，外包裹的耐火材料与测量头。

2）将化学成分为CaO:40%,SiO₂:37%,Al₂O₃:13%,MgO:7%,TiO₂:3%的炉渣充分混匀后放入钼坩埚9，而后放入管式加热炉6的 炉膛加热区准备加热；炉管7被通入氮气，来保证坩埚不被氧化。上圆盘3和下圆盘5辅助观察悬线的扭矩以及协助固定悬线使得其垂直向下。

装置的简图如图1。

3）开始炉膛加热，按照5℃/min的温度升温，到达1600℃时保温2h，使得炉渣成分充分均匀，同时放入定向测头；而后开始降温，速率为5℃/min，到达1550℃后保温0.5小时。而后开动旋转粘度仪的电动机2，旋转耐火材料测量头8，记录粘度显示器1的数据，开始测量耐火材料抗炉渣侵蚀的状况。

每隔2～3分钟测量一次，一共测量10个点。根据粘度数值，用内插法或外推法查找表1，确定侵蚀速率。

测量结果如图3所示，可以看出，在1550℃时，侵蚀速率很大，耐火材料半径线性减小。经过一定时间后炉渣侵蚀速率接近恒定，此时达到稳定侵蚀状态。由此可以计算出该温度和成分下的真实侵蚀速率为0.220g/min。

实施例3测量温度为1500℃炉渣对铝质耐火材料的侵蚀状况

1）把铝质耐火材料做成所需形状的定向测头，圆柱部分半径10.2cm。耐火材料的化学成分为CaO:1.1%,SiO₂:12.0%,Al₂O₃:85.1%,FeO:0.4%；

2）将化学成分为CaO:40%,SiO₂:37%,Al₂O₃:13%,MgO:7%,TiO₂:3%的炉渣充分混匀后放入钼坩埚，而后放入炉膛加热区准备加热；

3）开始炉膛加热，按照5℃/min的温度升温，到达1600℃时保温2h，使得炉渣成分充分均匀，同时放入定向测头；而后开始降温，速率为5℃/min，到达1500℃后保温0.5小时。而后开动电动机，旋转定向测头，开始测量耐火材料抗炉渣侵蚀的状况。

根据粘度数值，用内插法或外推法查找表1，确定侵蚀速率。

测量结果如图3所示。可以看出，侵蚀速率开始较大，而后缓慢降低，可以分为两个阶段。该温度和成分下的真实侵蚀速率为0.165g/min。相比于1550℃，侵蚀速率明显下降。

实施例4测量温度为1450℃炉渣对铝质耐火材料的侵蚀状况

1）把铝质耐火材料做成所需形状的定向测头，圆柱部分半径10.2cm。耐火材料的化学成分为CaO:1.1%,SiO₂:12.0%,Al₂O₃:85.1%,FeO:0.4%；

2）将化学成分为CaO:40%,SiO₂:37%,Al₂O₃:13%,MgO:7%,TiO₂:3%的炉渣充分混匀后放入钼坩埚，而后放入炉膛加热区准备加热；

3）开始炉膛加热，按照5℃/min的温度升温，到达1600℃时保温2h，使得炉渣成分充分均匀，同时放入定向测头；而后开始降温，速率为5℃/min，到达1450℃后保温0.5小时。而后开动马达，旋转定向测头，开始测量耐火材料抗炉渣侵蚀的状况。根据粘度数值，用内插法或外推法查找表1，确定侵蚀速率。

测量结果如图3所示，可以看出，侵蚀速率先快后慢，出现明显的时间分段。在0～10min这一时间段，侵蚀速率较大；在10～30min侵蚀速率较小。该温度和成分下的真实侵蚀速率为0.088g/min。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。对本发明技术方案变形、替代、等效变化或修饰，在不偏离本发明精神前提下，均属本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于粘度动态测量的检测耐火材料抗侵蚀性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将待测的耐火材料做成固定形状的定向测头，所述定向测头的形状为圆柱体下连接圆锥的形状，定向测头浸入到炉渣中的深度为2cm；

2)炉渣置于加热装置中，将加热装置升温至1600℃，保温1.8-2.5小时，待炉渣完全融化后放入定向测头；升温的速率为4-6℃/min，降温的速率为4-6℃/min；

3)降温至1450-1550℃，再保温20-40min；旋转定向测头，测量粘度和定向测头圆柱体部分半径随时间的变化，具体为：取定向测头圆柱部分半径依次相差1-2cm的定向测头，测定不同温度T下粘度的数值，在20-40min内测量10-20个粘度数据，半径对应时间的关系为r＝r(t)，得到如下粘度数值与侵蚀程度的关系作为整个侵蚀测量的参考粘度点：

其中粘度的单位为Pa·S；

4)根据定向测头半径随时间的变化关系可以得到侵蚀速率：侵蚀速率记为R_c，于是t₁至t₂时间段的侵蚀速率可以计算为：R_c＝[(r(t₁)-r(t₂))/(t₂-t₁)]。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于检测耐火材料抗侵蚀性能的装置包括管式炉、坩埚、旋转粘度仪、定向测头，所述坩埚置于管式炉中；所述定向测头通过长度可调的悬线连接在旋转粘度仪下方，所述管式炉设置有通入氮气的装置。