复掺铝和硅对镁碳质供气元件物相重构及抗渣侵蚀性能的影响

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1035

硅酸盐通报 ›› 2026, Vol. 45 ›› Issue (5): 1749-1756.DOI: 10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1035

复掺铝和硅对镁碳质供气元件物相重构及抗渣侵蚀性能的影响

闫明伟¹^,²(), 张伦梁¹, 孙广超¹, 叶树峰¹, 刘开琪¹()

^1.中国科学院过程工程研究所，北京 100190
^2.珠海亿特立新材料有限公司，珠海 519085

收稿日期:2025-10-27 修订日期:2025-12-06 出版日期:2026-05-15 发布日期:2026-06-10
通信作者: 刘开琪，博士，研究员。E-mail：kqliu@ipe.ac.cn
作者简介:闫明伟（1989—），男，博士，工程师。主要从事高温结构材料与陶瓷金属复合材料方向的研究。E-mail：1287552447@qq.com
基金资助:
中国科学院化工冶金低碳变革技术及示范战略性先导科技专项资助(XDA0390102);介科学与工程全国重点实验室资助(MESO-23-A07)

Effect of Double-Doping Al and Si on Phase Reconstruction and Slag Erosion Resistance of Magnesia-Carbon Bottom-Blowing Elements

YAN Mingwei¹^,²(), ZHANG Lunliang¹, SUN Guangchao¹, YE Shufeng¹, LIU Kaiqi¹()

^1.Institute of Process Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China
^2.Zhuhai Yiteli New Materials Co.，Ltd.，Zhuhai 519085，China

Received:2025-10-27 Revised:2025-12-06 Published:2026-05-15 Online:2026-06-10

摘要/Abstract

摘要：

冶金炉底吹用镁碳质供气元件通常添加Al或Si提升使用性能。为探究在高温氮气环境下复掺Al和Si对供气元件物相重构及抗渣侵蚀性能的影响，以电熔镁砂、鳞片石墨、Al粉和Si粉为原料制备了供气元件试样；经1 600 ℃氮气热处理试样后，借助XRD、SEM和EDS分别研究了单掺Al及复掺Al和Si试样基质的物相重构及渣侵蚀界面微结构。结果表明，与单掺Al不同，复掺Al和Si试样的基质呈现出不同的物相演变，且复掺Al和Si对试样抗渣侵蚀性能有着重要影响。经1 600 ℃渣侵蚀20 min后，单掺Al的试样与转炉渣的接触面未表现出明显的挂渣现象，试样的氧化侵蚀层厚度不足1 000 μm；复掺Si和Al制备的试样表面则形成了约300 μm厚且由镁铝尖晶石、Ca₃（Al_1-_x Fe _x ）₂Si₃O₁₂和12CaO?7Al₂O₃构成的氧化侵蚀层。这展现出Si对镁碳质供气元件的物相重构及抗渣侵蚀性能有着很大影响，需控制添加量，不宜过多。

关键词: 镁碳质供气元件, 底吹, 复掺Al和Si, 物相重构, 抗渣侵蚀性能

Abstract:

Magnesia-carbon bottom-blowing element for metallurgical furnace is typically enhanced by adding Al or Si to improve its performance. To investigate the effect of double-doping Al and Si on phase reconstruction and slag erosion resistance at high-temperature nitrogen environment， the magnesia-carbon bottom-blowing element specimens were prepared using fused magnesia， flake graphite， Al powder， and Si powder. The specimens were heat-treated in a 1 600 ℃ nitrogen atmosphere， and XRD， SEM， and EDS were employed to analyze the phase reconstruction and microstructure of the matrix of the Al single-doped and Al-Si double-doped specimens before and after erosion by slag. Results indicate that different from the Al single-doped specimen， the Al-Si double-doped specimen induces distinct phase transformations in the matrix， and double-doping Al and Si has an important effect on the slag erosion resistance. After the slag erosion experiment at 1 600 ℃ for 20 min， the Al single-doped specimen shows no significant slag adhesion on its contact surface with converter slag， with oxidation erosion layer less than 1 000 μm. In contrast， the Al-Si double-doped specimen develops a 300 μm oxidation erosion layer composed of spinel， Ca₃（Al_1-_x Fe _x ）₂Si₃O₁₂， and 12CaO·7Al₂O₃， demonstrating that Si significantly influences phase reconstruction and slag erosion resistance of magnesia-carbon bottom-blowing elements and its excessive addition should be avoided.

Key words: magnesia-carbon bottom-blowing element, bottom blowing, double-doping Al and Si, phase reconstruction, slag erosion resistance

中图分类号:

TQ175

闫明伟, 张伦梁, 孙广超, 叶树峰, 刘开琪. 复掺铝和硅对镁碳质供气元件物相重构及抗渣侵蚀性能的影响[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(5): 1749-1756.

YAN Mingwei, ZHANG Lunliang, SUN Guangchao, YE Shufeng, LIU Kaiqi. Effect of Double-Doping Al and Si on Phase Reconstruction and Slag Erosion Resistance of Magnesia-Carbon Bottom-Blowing Elements[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(5): 1749-1756.

图/表 9

表1 试样的原料配比

Table 1 Raw material mix ratio of samples

Raw material	Particle size/mm	w/%
Raw material	Particle size/mm	S0	S1	S2
Fused magnesia	0~5	77	85	79
Al powder	<0.044	5	5	10
Si powder	<0.074	0	1	2
Flake graphite	<0.149	15	6	6
Thermosetting phenolic resin	—	3	3	3

表2 转炉渣的主要化学成分［13］

Table 2 Main chemical composition of converter smelting slag［13］

Composition	CaO	Al₂O₃	SiO₂	MgO	TFe	P₂O₅	MnO
w/%	46.65	1.54	15.27	9.01	16.16	1.68	3.65

图1 热处理试样的XRD谱

Fig.1 XRD patterns of heat-treated samples

图2 热处理S2试样的SEM照片和EDS谱

Fig.2 SEM image and EDS spectra of heat-treated sample S2

图3 1 600 ℃转炉渣侵蚀20 min后试样渣接触区的XRD谱

Fig.3 XRD patterns of slag contact zones for samples after converter smelting slag erosion at 1 600 ℃ for 20 min

图4 S0试样与渣接触区的SEM照片

Fig.4 SEM images of slag contact zones for sample S0

图5 图4（d）和（f）的选区EDS谱

Fig.5 EDS spectra of selected area in Fig.4（d） and （f）

图6 试样S2与渣接触区的SEM照片

Fig.6 SEM images of slag contact area for sample S2

表3 图6中选区位置的化学成分

Table 3 Chemical composition of selected areas in Fig.6

Selected area	Chemical element （atomic fraction）/%
Selected area	Mg	Al	Ca	Mn	Fe	Si	O	C	N
1	0.42	13.28	21.43	0.32	1.02	12.55	50.98	—	—
2	21.20	20.39	—	0.12	0.16	—	58.13	—	—
3	2.64	18.88	15.55	—	—	3.99	58.94	—	—
4	0.43	1.66	1.23	—	—	0.41	26.47	69.80	—
5	1.67	9.05	4.20	—	—	2.39	35.43	40.98	6.28

参考文献 15

[1]	陈　郑，李　斌，文　敏，等. 转炉出钢过程中的氮氩切换［J］. 甘肃冶金， 2015， 37（3）： 18-19+22.
	CHEN Z， LI B， WEN M， et al. N₂/Ar changing over during converter tapping［J］. Gansu Metallurgy， 2015， 37（3）： 18-19+22 （in Chinese）.
[2]	陈　洋，邓承继，娄晓明，等. 低碳MgO-C耐火材料结构和性能优化的研究进展［J］. 硅酸盐通报， 2022， 41（6）： 2153-2159.
	CHEN Y， DENG C J， LOU X M， et al. Research progress on structure and property optimization of low-carbon MgO-C refractories［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2022， 41（6）： 2153-2159 （in Chinese）.
[3]	伊竟广，朱伯铨，李享成，等. MgO-C材料在氮气气氛下的物相演化及其力学性能研究［J］. 武汉科技大学学报， 2014， 37（2）： 130-134.
	YI J G， ZHU B Q， LI X C， et al. Phase evolution and mechanical properties of MgO-C material under nitrogen atmosphere［J］. Journal of Wuhan University of Science and Technology， 2014， 37（2）： 130-134 （in Chinese）.
[4]	李红霞. 耐火材料手册［M］. 北京：冶金工业出版社， 2007.
	LI H X. Naihuo cailiao shouce［M］. Beijing： Metallurgical Industry Press， 2007 （in Chinese）.
[5]	LIU Z Y， YU J K， YUE S J， et al. Effect of carbon content on the oxidation resistance and kinetics of MgO-C refractory with the addition of Al powder［J］. Ceramics International， 2020， 46（3）： 3091-3098.
[6]	闫明伟，陈子健，孙广超，等. 铝复合镁碳供气元件氮气热处理后的相组成与显微结构研究［J］. 耐火材料， 2025， 59（4）： 277-282.
	YAN M W， CHEN Z J， SUN G C， et al. Phase composition and microstructure of aluminium composite magnesia-carbon gas-supply elements after nitrogen heat treatment［J］. Refractories， 2025， 59（4）： 277-282 （in Chinese）.
[7]	LIU H T， MENG F R， LI Q， et al. Phase behavior analysis of MgO-C refractory at high temperature： influence of Si powder additives［J］. Ceramics International， 2015， 41（3）： 5186-5190.
[8]	LUZ A P， SOUZA T M， PAGLIOSA C， et al. In situ hot elastic modulus evolution of MgO-C refractories containing Al， Si or Al-Mg antioxidants［J］. Ceramics International， 2016， 42（8）： 9836-9843.
[9]	ZHU T B， LI Y W， SANG S B， et al. Formation of nanocarbon structures in MgO-C refractories matrix： influence of Al and Si additives［J］. Ceramics International， 2016， 42（16）： 18833-18843.
[10]	GOKCE A S， GURCAN C， OZGEN S， et al. The effect of antioxidants on the oxidation behaviour of magnesia-carbon refractory bricks［J］. Ceramics International， 2008， 34（2）： 323-330.
[11]	ZHU T B， LI Y W， SANG S B， et al. The influence of Al and Si additives on the microstructure and mechanical properties of low carbon MgO-C refractories［J］. Journal of Ceramic Science and Technology， 2016， 7（1）： 127-134.
[12]	BITENCOURT C S， LUZ A P， PAGLIOSA C， et al. Phase and microstructural evolution based on Al， Si and TiO₂ reactions with a MgO-C resin-bonded refractory［J］. Ceramics International， 2016， 42（15）： 16480-16490.
[13]	杨粉荣，刘开琪，王秉军. 转炉渣的显微结构分析［J］. 耐火材料， 2012， 46（6）： 477-478.
	YANG F R， LIU K Q， WANG B J. Microstructural analysis of converter slag［J］. Refractories， 2012， 46（6）： 477-478 （in Chinese）.
[14]	闫明伟，杨裕民，仝尚好，等. 高温氮气下镁碳耐火材料的物相重构与微结构演变［J］. 耐火材料， 2022， 56（2）： 93-100.
	YAN M W， YANG Y M， TONG S H， et al. Phase reconstruction and microstructure evolution of magnesia-carbon refractories at high temperatures in nitrogen［J］. Refractories， 2022， 56（2）： 93-100 （in Chinese）.
[15]	YAN M W， ZHANG J Y， YANG Y M， et al. The phase composition and microstructural evolution of a novel MgO-C-Al-Si refractory used in bottom-blowing elements at high temperatures in flowing nitrogen［J］. Journal of Asian Ceramic Societies， 2021， 9（3）： 794-805.

复掺铝和硅对镁碳质供气元件物相重构及抗渣侵蚀性能的影响

Effect of Double-Doping Al and Si on Phase Reconstruction and Slag Erosion Resistance of Magnesia-Carbon Bottom-Blowing Elements

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 9

参考文献 15

相关文章 1

编辑推荐

Metrics

本文评价