基于數(shù)字圖像相關(guān)法的鋁鎂質(zhì)耐火材料抗侵蝕性能研究

楊鵬鵬，魏國平，黃 奧，李昇昊，顧華志

(1.武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，武漢 430081； 2.浙江自立高溫科技股份有限公司，紹興 312300)

0 引 言

耐火材料被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)等多個領(lǐng)域，是鋼鐵、建材、化工、能源等高溫工業(yè)不可替代的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料[1]，其中約65%應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)[2]。在鋼鐵冶煉過程中，鋼渣侵蝕和滲透是造成耐火材料損毀的主要原因之一。在高溫復(fù)雜環(huán)境下難以直接對耐火材料渣蝕損毀過程進(jìn)行觀察和研究。檢測耐火材料抗侵蝕能力的傳統(tǒng)方法主要是對侵蝕后樣品進(jìn)行測試分析，分為靜態(tài)法和動態(tài)法兩種，其中靜態(tài)法包括浸漬法[3]、座滴法[4]和靜態(tài)坩堝法[5-6]等，動態(tài)法包括回轉(zhuǎn)抗渣法[7]、旋轉(zhuǎn)浸漬法[8-9]和感應(yīng)爐抗渣法[10]等。以上方法可以獲得被侵蝕過后的耐火材料試樣，但無法了解到侵蝕過程的動態(tài)情況。

數(shù)字圖像相關(guān)(digital image correlation, DIC)法[11-12]是一種用于測量變形物體表面位移和應(yīng)變信息的非接觸式光學(xué)測量方法[13]，原理是基于被測物體變形前后表面灰度場的特征匹配來獲取位移應(yīng)變等信息[14]，具有適用范圍廣(適用溫度可達(dá)2 000 ℃[15])、操作簡單、測量精度高(可達(dá)到0.01像素或更高[16])等優(yōu)點(diǎn)[17-18]，目前已被應(yīng)用于高溫下材料形變高精度測試[19-21]。理論計(jì)算或等效伸長計(jì)測試對比，DIC法的測量結(jié)果誤差小[22]，精確可信[23]。奧爾良大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)通過DIC法探究了渣蝕過程中圓柱型鋁土礦耐火材料的直徑變化，產(chǎn)物的不同膨脹率是影響直徑變化的最主要因素[24]。考慮到耐火材料與鋼渣反應(yīng)會造成材料組成與結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而造成耐火材料損毀，該過程必然伴隨著材料的結(jié)構(gòu)形變[25]，DIC法在溫度上滿足了耐火材料在服役中的條件，在精度上可識別渣蝕過程中耐火材料表面的微應(yīng)變。

因此，本文基于DIC法和高溫可視化系統(tǒng)，開展鋁鎂質(zhì)耐火材料抗渣蝕行為的可視化研究，探討不同冶煉鋼渣和熱處理溫度對鋁鎂質(zhì)耐火材料抗渣蝕行為的影響，以期為評價耐火材料渣蝕過程提供新思路。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所用鋼渣為實(shí)際煉鋼過程中獲取的三種典型鋼渣塊，主要化學(xué)成分如表1所示，三種鋼渣的四元堿度分別為0.53、1.19和0.75。將渣塊破碎研磨制成粉末，取一部分渣粉在50 MPa壓力下壓制成規(guī)格為φ20 mm×6 mm的圓柱渣樣，另取一部分壓制成規(guī)格為φ3 mm×3 mm的圓柱渣樣，將渣樣置于烘箱中，在110 ℃條件下干燥3 h，用于后續(xù)試驗(yàn)。

表1 鋼渣的主要化學(xué)組成Table 1 Main chemical composition of steel slag

鋼包工作襯鋁鎂質(zhì)耐火預(yù)制塊的主要化學(xué)成分為Al2O3(≥93%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、MgO(≥3%)，以及少量SiO2(≤2%)、Fe2O3(≤0.5%)和CaO(≤0.5%)，體積密度為3.17 g/cm3，顯氣孔率為7.7%。將該預(yù)制塊加工制成尺寸為45 mm×25 mm×25 mm的長方體耐火試塊。利用Speckle Generator(Correlated Solutions, Inc, America)軟件生成直徑為1.5 mm、分布密度為55%、隨機(jī)度為75%的散斑圖案，將其印刷于PVC板，使用打孔器在PVC板散斑點(diǎn)對應(yīng)位置開孔后，制得散斑標(biāo)記板。將標(biāo)記板緊貼長方體耐火試塊的待觀察面，利用氣動噴槍將黑色耐高溫標(biāo)記噴繪于耐火試塊的觀察面，制得隨機(jī)散斑。為探究熱處理對鋁鎂質(zhì)耐火材料抗侵蝕性能的影響，從低到高選取了600、1 000和1 500 ℃三個溫度點(diǎn)，將耐火試塊分別在各溫度下保溫3 h，再開展高溫抗渣蝕試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用的高溫可視化系統(tǒng)(見圖1)包含加熱單元和圖像采集單元。加熱單元為高溫可視爐，將樣品放在爐腔中央位置，通過溫控面板控制升溫程序，由可視窗觀察整個侵蝕過程，窗口配備兩塊高質(zhì)量光學(xué)石英玻璃，以減小玻璃對圖像質(zhì)量的影響[26]。圖像采集單元包括相機(jī)、光源和濾光片組，其中相機(jī)型號為BFS-U3-123S6M-C，成像芯片為CCD。光源為中心波長為450 nm的藍(lán)光燈，濾光片組固定在相機(jī)鏡頭前，包括帶通濾光片和中性灰度濾光片[27]，側(cè)面放置氣動裝置(立式風(fēng)扇)來減少熱氣流擾動的影響。使用SpinView(FLIR Integrated Imaging Solutions, Inc)軟件連接相機(jī)進(jìn)行實(shí)時圖像采集。

1.3 試驗(yàn)過程

測定鋼渣熔化溫度時，將φ3 mm×3 mm的圓柱渣樣放入可視爐中，設(shè)置可視爐升溫速率在室溫～1 000 ℃為10 ℃/min，1 000 ℃后為5 ℃/min。在溫度到達(dá)到1 000 ℃時開啟相機(jī)和藍(lán)光燈，以6 s/張的采集速率進(jìn)行圖像采集，記錄鋼渣高度及形貌變化，待渣樣完全融化后結(jié)束試驗(yàn)。

圖1 高溫可視化系統(tǒng)Fig.1 High temperature visualization system

進(jìn)行渣蝕試驗(yàn)時，將耐火材料試塊置于爐腔中央，散斑標(biāo)記面正對可視窗口，渣樣放在耐火材料上表面中心位置。爐溫在1 000 ℃以下時高溫爐升溫速率為10 ℃/min，爐溫在1 000～1 600 ℃時高溫爐升溫速率為5 ℃/min，爐溫達(dá)到1 600 ℃后保溫2 h。溫度升高到1 000 ℃時，打開相機(jī)和光源，以3 s/張的采集速率進(jìn)行圖像采集，記錄耐火材料表面散斑標(biāo)記的位移變化，直至保溫結(jié)束。

1.4 結(jié)果表征

利用Image J軟件對熔化溫度圖像進(jìn)行計(jì)算，溫度與時間之間的關(guān)系如式(1)所示。

T=T0+Vt

(1)

式中：T為任意時刻溫度；T0為初始溫度，T0=1 000 ℃；V為升溫速率，V=5 ℃/min；t為時間，通過圖像序號及圖像采集時間間隔(3 s)獲得，由此測得渣樣的熔化溫度(半球點(diǎn))。通過VIC-2D軟件對渣蝕試驗(yàn)圖像進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)選定圖像區(qū)域內(nèi)的平均應(yīng)變來繪制平均應(yīng)變曲線以及選定圖像區(qū)域內(nèi)的應(yīng)變分布來繪制應(yīng)變云圖。通過分析侵蝕平均應(yīng)變曲線來對比不同鋼渣以及熱處理溫度對渣蝕行為的影響，通過侵蝕應(yīng)變云圖分析不同鋼渣對耐火材料的滲透侵蝕演化趨勢，最后采用掃描電子顯微鏡(JSM-6610， JEOL， Tokyo， Japan)和能譜儀(QUANTAX， Bruker， Berlin， Germany)對熔渣和耐火材料界面進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 侵蝕平均應(yīng)變曲線分析

圖2為三種鋼渣侵蝕1 500 ℃熱處理耐火材料的平均應(yīng)變曲線。三種鋼渣侵蝕耐火材料行為趨勢相似，但鋼渣S1和鋼渣S2、S3侵蝕滲透耐火材料的速率有較大的差異。平均應(yīng)變曲線共分為四個階段：1)隨著溫度的升高，熱應(yīng)力導(dǎo)致耐火材料表面產(chǎn)生應(yīng)變；2)到達(dá)曲線的第一個拐點(diǎn)時，液態(tài)鋼渣滲入耐火材料，侵蝕也隨即發(fā)生，鋼渣的滲透和侵蝕造成材料表面產(chǎn)生應(yīng)變，該階段鋼渣S1侵蝕滲透速率明顯高于鋼渣S2、S3；3)鋼渣和耐火材料的持續(xù)作用，鋼渣的量逐漸減少，擴(kuò)散速率逐漸降低，滲入耐火材料的鋼渣繼續(xù)侵蝕耐火材料，此階段侵蝕造成材料表面產(chǎn)生應(yīng)變;4)曲線趨于平緩，鋼渣被完全消耗，鋼渣S1、S2、S3侵蝕耐火材料的最大平均應(yīng)變分別為0.035、0.016、0.018。

鋼渣S1侵蝕耐火材料的平均應(yīng)變較大，對侵蝕過程進(jìn)行具體分析。鋼渣S1(熔化溫度約1 483.5 ℃)侵蝕三種溫度熱處理耐火材料的應(yīng)變曲線如圖3所示。鋼渣S1侵蝕600、1 000、1 500 ℃熱處理耐火材料的最大平均應(yīng)變分別為0.081、0.062、0.035，熱處理溫度和鋼渣S1侵蝕材料的最大平均應(yīng)變呈正相關(guān)。另外，三種熔渣的侵蝕溫度分別為1 491、1 425、1 441 ℃，熔化溫度分別為1 483.5、1 367、1 417 ℃，可以發(fā)現(xiàn)鋼渣的熔化溫度越低，侵蝕發(fā)生的時間越早。

圖2 鋼渣侵蝕1 500 ℃熱處理耐火材料的應(yīng)變曲線Fig.2 Strain curves of steel slag corrosion refractory heat-treated at 1 500 ℃

圖3 鋼渣S1侵蝕三種溫度熱處理耐火材料的應(yīng)變曲線Fig.3 Strain curves of stell slag S1 corrosion refractory heat-treated at three temperatures

2.2 侵蝕應(yīng)變云圖分析

2.2.1 侵蝕結(jié)果分析

圖4為耐火材料被侵蝕后的SEM照片，圖5為鋼渣S1侵蝕三種溫度熱處理耐火材料的應(yīng)變云圖，標(biāo)尺e1表示格林-拉格朗日應(yīng)變張量的特征值,即試樣主應(yīng)變。云圖根據(jù)耐火材料表面應(yīng)變分布繪制，侵蝕區(qū)域應(yīng)變?yōu)?.08～0.10時，云圖顏色為紅色，滲透區(qū)域處于侵蝕層和原質(zhì)層之間，應(yīng)變?yōu)?.04～0.08時，云圖顏色為黃色和綠色，原質(zhì)層應(yīng)變低于0.04時，云圖顏色為藍(lán)色。

圖4 鋼渣S1侵蝕耐火材料的表面形貌Fig.4 Surface morphology of steel slag S1 corrosion refractory

圖5 鋼渣S1侵蝕應(yīng)變云圖Fig.5 Corrosion strain nephogram of steel slag S1

鋼渣S2、S3的侵蝕應(yīng)變云圖如圖6和圖7所示。耐火材料抗鋼渣S2、S3侵蝕的能力很強(qiáng)，二者的侵蝕結(jié)果較為相似，侵蝕僅集中在頂部小區(qū)域，圖中箭頭所指區(qū)域由骨料填充，應(yīng)變較低。

圖6 鋼渣S2侵蝕應(yīng)變云圖Fig.6 Corrosion strain nephogram of steel slag S2

圖7 鋼渣S3侵蝕應(yīng)變云圖Fig.7 Corrosion strain nephogram of steel slag S3

2.2.2 侵蝕過程分析

為了解鋼渣S1和S2侵蝕1 500 ℃熱處理耐火材料過程中的滲透與侵蝕情況，取6張關(guān)鍵應(yīng)變云圖進(jìn)行分析。鋼渣S1滲透侵蝕過程中的云圖變化如圖8所示，試驗(yàn)溫度為1 450 ℃時，材料表面全場應(yīng)變低于0.01，鋼渣未滲入耐火材料。溫度達(dá)到1 500 ℃時，在應(yīng)變?yōu)?.01～0.04出現(xiàn)了滲透區(qū)域。溫度升高到1 550 ℃時，耐火材料頂部出現(xiàn)了兩塊相鄰的滲透區(qū)域，首先發(fā)生滲透的區(qū)域產(chǎn)生了侵蝕現(xiàn)象，應(yīng)變最高達(dá)0.07。溫度升高到1 600 ℃時，侵蝕區(qū)域侵蝕程度加深，同時滲透區(qū)域向下擴(kuò)展。試驗(yàn)進(jìn)行到150 min時(1 600 ℃保溫30 min)，原滲透區(qū)域的耐火材料被鋼渣完全消耗，侵蝕程度進(jìn)一步加深，對應(yīng)區(qū)域的云圖變?yōu)榧t色。剩余少量液態(tài)鋼渣繼續(xù)向下滲透侵蝕。試驗(yàn)進(jìn)行到最后，侵蝕區(qū)域大幅擴(kuò)展，而滲透區(qū)域擴(kuò)展較小。

圖8 鋼渣S1侵蝕1 500 ℃熱處理耐火材料關(guān)鍵應(yīng)變云圖Fig.8 Key strain nephogram of steel slag S1 corrosion refractory heat-treated at 1 500 ℃

鋼渣S2的侵蝕演化趨勢與S1相似(見圖9)，但滲透侵蝕發(fā)生的時間不同。鋼渣S2的滲透侵蝕溫度為1 425 ℃，低于S1的滲透侵蝕溫度1 491 ℃。試驗(yàn)溫度為1 600 ℃時，鋼渣S2侵蝕耐火材料的最大應(yīng)變?yōu)?.07，而鋼渣S1侵蝕1 550 ℃熱處理耐火材料的侵蝕應(yīng)變達(dá)到0.07。在80～150 min，液態(tài)鋼渣向耐火材料內(nèi)部滲透的速率較高，滲透區(qū)域擴(kuò)展較為明顯。此后，侵蝕和滲透以較高速率同時進(jìn)行，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到180 min時，侵蝕形貌基本形成，在試驗(yàn)結(jié)束時侵蝕區(qū)域和滲透區(qū)域達(dá)到最大。

圖9 鋼渣S2侵蝕1 500 ℃熱處理耐火材料關(guān)鍵應(yīng)變云圖Fig.9 Key strain nephogram of steel slag S2 corrosion refractory heat-treated at 1 500 ℃

2.3 顯微結(jié)構(gòu)分析

圖10為三種鋼渣與耐火材料反應(yīng)界面處的SEM照片，EDS結(jié)果如表2所示。

圖10 鋼渣S1、S2、S3侵蝕1 500 ℃熱處理耐火材料的SEM照片F(xiàn)ig.10 SEM images of steel slag S1, S2 and S3 corrosion refractory heat-treated at 1 500 ℃

表2 EDS分析結(jié)果Table 2 Analysis result of EDS

通過EDS表征結(jié)合背散射電子圖像對侵蝕結(jié)果進(jìn)行分析，鋼渣S1與耐火材料骨料作用形成了一層致密的六鋁酸鈣(CA6)層，阻擋耐火材料進(jìn)一步向骨料侵蝕，因而骨料形貌基本完整，只有邊緣被侵蝕。但耐火材料基質(zhì)部分受到嚴(yán)重侵蝕，熔渣中的SiO2、MgO、Al2O3和CaO會在高溫作用下形成MgO-Al2O3-SiO2和CaO-Al2O3-SiO2玻璃相并優(yōu)先與材料中的基質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，形成CaO-MgO-Al2O3-SiO2系低熔點(diǎn)相，在高溫下低熔點(diǎn)液相加速造成耐火材料損毀，同時形成較多孔洞。因此，堿度最低的鋼渣S1(堿度為0.53)侵蝕耐火材料的應(yīng)變明顯。

鋼渣S2(堿度為1.19)與S1相比，SiO2含量減少，CaO含量大幅增加，CA6致密層更厚,形成的低熔點(diǎn)相更少，向耐火材料中滲入的渣量更少,因而侵蝕程度較小。在鋼渣S3(堿度為0.75)中，鐵元素的含量較高，對耐火材料基質(zhì)部分造成了較為嚴(yán)重的滲透，使得鋼渣S3造成的應(yīng)變略高于S2，但較厚的CA6致密層阻擋了侵蝕的進(jìn)一步發(fā)生。因此鋼渣S2、S3在渣蝕過程中造成的耐火材料的應(yīng)變小于鋼渣S1造成的應(yīng)變，即堿度越低的熔渣對鋁鎂質(zhì)耐火材料的侵蝕越嚴(yán)重。

3 結(jié) 論

1)三種堿度由低至高的鋼渣侵蝕1 500 ℃熱處理耐火材料的最大平均應(yīng)變分別為0.035、0.018、0.016，鋼渣堿度越低，侵蝕性越強(qiáng)；堿度為0.53的鋼渣侵蝕600、1 000、1 500 ℃熱處理耐火材料的最大平均應(yīng)變由0.081降至0.035，材料經(jīng)1 000 ℃以上溫度處理后，抗侵蝕能力得到有效提升。

2)與侵蝕形貌圖像相比，應(yīng)變云圖更直觀地展示了滲透和侵蝕發(fā)生的區(qū)域及嚴(yán)重程度。對比同種鋼渣侵蝕不同溫度熱處理耐火材料的云圖發(fā)現(xiàn)，侵蝕區(qū)域隨著熱處理溫度的提高而減小，耐火材料的抗侵蝕能力得到提升。

3)鋼渣的侵蝕演化趨勢可概括為熔化和潤濕、溶解和擴(kuò)散、結(jié)晶三個階段，但不同鋼渣各階段發(fā)生的時間不同。堿度為1.19的鋼渣熔化溫度低于堿度為0.53的鋼渣，侵蝕發(fā)生早且持續(xù)時間長，但堿度為0.53的低堿度鋼渣造成的最終侵蝕更嚴(yán)重。

4)高溫可視化系統(tǒng)結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)法比傳統(tǒng)侵蝕測試方法提供了更豐富的信息，平均應(yīng)變曲線結(jié)合侵蝕應(yīng)變云圖不僅可以評價耐火材料的抗侵蝕能力，還可以反映侵蝕過程及速率的變化，為耐火材料抗鋼渣侵蝕分析提供動態(tài)數(shù)據(jù)支持。