眾所周知，用作AC電爐爐底和斜坡工作層的堿性耐火混合料應(yīng)該具備如下條件：
(1)抗水化性和抗2CaO.SiO₂晶型轉(zhuǎn)化以及抗3CaO·SiO₂分解性能較高;
(2)施工快速簡便;
(3)不需干燥或者加熱，爐子可立刻啟動;
(4)燒結(jié)性能高，并能獲得充分的陶瓷結(jié)合;
(5)施工體密度髙，氣孔率低;
(6)體積穩(wěn)定性高，收縮小;
(7)抗侵蝕性能高;
(8)抗機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的能力高。
可以通過控制化學(xué)成分和顆粒尺寸來獲得上述性能。
目前，AC電爐所采用的堿性耐火混合料以MgO-CaO-FeOn質(zhì)材料為主。當(dāng)考慮到原料中還存在SiO₂和Al₂O₃等雜質(zhì)成分時(shí)，它們屬于MgO-CaO-FeOn-Al₂O₃-SiO₂系統(tǒng)。由于混合料中的CaO/SiO₂>2,故其礦物組成為方鎂石、方鈣石、3CaO·SiO₂、2CaO·SiO₂、2CaO·Fe₂O₃和4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃。
現(xiàn)在，AC電爐用MgO-CaO-FeOn質(zhì)混合料主要有兩類：
(1)含fCaO類型;
(2)無fCaO類型。
化學(xué)成分控制
MgO-CaO質(zhì)耐火材料應(yīng)用于煉鋼爐子中作內(nèi)襯時(shí)，通常都希望含有相對較高的CaO。在MgO-CaO-熔體系中，異晶間的頸處形成的二面角Φ比同晶間頸處所形成的二面角Φ大得多，如：
因此，含有較高CaO的MgO-CaO系耐火材料能保證它們在同熔渣接觸時(shí)提高熔渣相的堿度和粘度，從而可以抑制顆粒間熔渣剩余物的滲透。但是，也存在一個(gè)最佳MgO/Ca0比例問題。圖3-1示出了在轉(zhuǎn)爐冶煉中的最佳MgO/CaO比例隨冶煉條件的變化情況。考慮到電爐終渣的CaO/SiO₂在1.8~3.5之間，如果用圖1來解釋電爐熔池工作襯時(shí)，由于電爐的操作溫度一般都很高，因而認(rèn)為用于電爐堿性耐火混合料中的最佳MgO/CaO比例也不應(yīng)該太低。
如圖1所示，冶煉溫度升高，其最佳MgO/CaO比例也需要隨之增高。對于髙混操作，最佳MgO/CaO=75/25;而對于超高溫操作，最佳MgO/CaO=90/10。因?yàn)檩^高的CaO含量(相對較低的MgO/CaO比例)對應(yīng)著較高的熔損速度，溫度越高其熔損就越快。當(dāng)然，對于MgO-CaO-Fen質(zhì)混合料而言,MgO/CaO比例也不能太高。當(dāng)混合料中的MgO/CaO>90/10時(shí)，由于在高溫下缺少足夠的液相會導(dǎo)致燒結(jié)性能下降。
圖1 磚的組成、冶煉條件與爐襯壽命的關(guān)系
關(guān)于Fe₂O₃配入量，可以從圖2中得到了解。在1600℃的條件下，當(dāng)MgO-CaO-FeOn系同Fe(鋼水)平衡時(shí)，只要MgO/FeOn>2.33時(shí)就不會出現(xiàn)液相，表明該材質(zhì)具有很高的高溫性能。MgO-CaO-FeOn質(zhì)混合料中所含數(shù)量不同，會導(dǎo)致混合料的燒結(jié)性能變化，圖3示岀含有不同Fe₂O₃的堿性耐火混合料由于燒結(jié)性不同，在1600℃燒成之后所表現(xiàn)岀不同的常溫耐壓強(qiáng)度。該圖表明，含5%Fe₂O₃(相當(dāng)于MgO-CaO-2CaO·Fe₂O₃砂含約7%Fe₂O₃的堿性耐火混合料在1600℃時(shí)形成了堅(jiān)固的工作表面，估計(jì)其耐用性能必定較高。然而，在氧化氣氛下(電爐出完鋼時(shí))，MgO·Fe₂O₃卻容易被2CaO·SiO₂和2CaO·Fe₂O₃所侵蝕，如圖4所示。說明在MgO-CaO-FeOn質(zhì)堿性混合料中，MgO/Fe₂O₃≥2.33才會具有高抗侵蝕性能。不過，當(dāng)Fe₂O₃<5%時(shí)，由于材料中難于產(chǎn)生必要的液相，會降低它們的燒結(jié)性能。因此，5%就是MgO-CaO-FeOn質(zhì)電爐熔池用堿性耐火混合料中Fe₂O₃的最低含量。通常，為了兼顧燒結(jié)性和耐蝕性，其Fe₂O₃的配入量為7%左右(對于生產(chǎn)MgO-CaO-Fe₂O₃砂而言)。
圖2 FeOn-CaO-MgO與Fe共存時(shí)于1600℃的狀態(tài)圖(MK為固溶體，S為熔液)
考慮到FeOn的抗蝕性能遠(yuǎn)低于MgO這一事實(shí)，因而配入的Fe₂O₃均應(yīng)以2CaO·Fe₂O₃的形態(tài)存在。由此求出CaO的最少控制量為CaO>0.7Fe₂O₃，以保證CaO同F(xiàn)e₂O₃反應(yīng)生成2CaO·Fe₂O₃之后尚剩有fCaO,以提高材料的抗?jié)B透能力。在MgO-CaO-FeOn-Al₂O₃-SiO₂五元系中，當(dāng)CaO>1.1Al₂O₃,+2.8SiO₂+0.7Fe₂O₃時(shí)，材料中即會有fCaO存在。
圖3 混合料在1600℃燒成后的常溫耐壓強(qiáng)度
圖4 C2S-C2F-MF斷面中的熔化等溫線
從表面看,SiO₂對于MgO-CaO質(zhì)耐火材料的高溫性能不會有明顯的負(fù)作用，如圖5和圖6所示，將SiO₂加入到MgO/CaO=0~∞的任何MgO-CaO質(zhì)耐火材料中，液相出現(xiàn)的溫度都不會低于1850℃。然而，它卻會使低MgO/CaO比值的MgO-CaO質(zhì)耐火材料的抗渣性下降，并且會大量消耗MgO-CaO質(zhì)耐火材料中的CaO而生成2CaO·SiO₂(在無fCaO存在時(shí))和3CaO·SiO₂，而將方鎂石表面的2CaO·Fe₂O₃質(zhì)液相排擠出去，使之促進(jìn)MgO-CaO質(zhì)耐火材料的燒結(jié)作用大為減弱。如果在使用過程中進(jìn)一步吸收SiO₂就有可能生成大量的2CaO·SiO3,后者又會在較低溫度(小于1200℃)下轉(zhuǎn)化為r-2CaO·SiO₂,并伴有約10%-20%的體積膨脹,從而造成材料碎散。因此，通常規(guī)定電爐用堿性耐火混合料中的SiO₂不大于1.2%,優(yōu)質(zhì)堿性耐火混合料中的SiO₂應(yīng)小于1%。
圖5 CaO-MgO-SiO₂系統(tǒng)的貧硅部分
關(guān)于Al₂O₃雜質(zhì)，它雖然可同CaO和Fe₂O₃反應(yīng)生成4CaO•Al₂O₃•Fe₂O₃(T5=1415℃)
使MgO-CaO系統(tǒng)的最低共熔點(diǎn)溫度由2300℃迅速下降到1320℃,如圖3-7所示。雖然這種液相能夠有效地促進(jìn)MgO-CaO質(zhì)耐火材料的燒結(jié)，但它是穩(wěn)定的液相，會明顯降低該材料的抗侵蝕性。這就說明,MgO-CaO-FeOn質(zhì)混合料中應(yīng)嚴(yán)格限制Al₂O₃含量。對于優(yōu)質(zhì)堿性耐火混合料來說，Al₂O₃含量通常應(yīng)限制在0.5%以下。
