เส้นตะกรันของทัพพีเป็นส่วนที่เหล็กหลอมเหลวสัมผัสกับอากาศโดยตรง ในปัจจุบันอิฐคาร์บอนแมกนีเซียส่วนใหญ่ใช้สำหรับการสร้างสายตะกรันทัพพี เนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิและการมีอยู่ของสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจนสูง อัตราการกัดกร่อนของชิ้นส่วนนี้จึงเร็วกว่าชิ้นส่วนอื่นๆ อย่างเห็นได้ชัด นอกจากนี้ การพลิกคว่ำและการปล่อยตะกรันของเหล็กหลอมเหลวระหว่างการทำงานทำให้สายตะกรันได้รับความเสียหายอย่างมาก ดังนั้น สายตะกรันทัพพีจึงเป็นชิ้นส่วนที่มีความถี่ในการบำรุงรักษาสูงที่สุด
อายุการใช้งานของเส้นตะกรันทัพพีได้รับผลกระทบและถูกจำกัดด้วยสามปัจจัยหลัก: สภาพแวดล้อมภายนอก คุณภาพของวัสดุทนไฟ และวิธีการก่ออิฐ
1. สภาพแวดล้อมภายนอก
ทัพพีเป็นอุปกรณ์สำหรับรับเหล็กหลอมเหลวและดำเนินการเท อุณหภูมิของเหล็กหลอมเหลวมักจะอยู่ที่ประมาณ 1,500 องศา เมื่อเส้นตะกรันของทัพพีสัมผัสกับอากาศที่อุณหภูมินี้ จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันที่รุนแรง นอกจากนี้ ความแตกต่างของอุณหภูมิของพื้นผิวสัมผัสระหว่างเหล็กหลอมเหลวและอากาศยังส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อเส้นตะกรันของทัพพีอีกด้วย ความแตกต่างของอุณหภูมิที่มากจะทดสอบเสถียรภาพทางความร้อนของเส้นตะกรันของทัพพีอย่างรุนแรง[20] ในระหว่างการดำเนินการรับและทิ้งบ่อยครั้ง วัสดุทนไฟจะทำให้เกิดรอยแตกร้าวในระดับหนึ่ง ดังนั้น ในสภาพแวดล้อมภายนอก การเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงจึงส่งผลกระทบอย่างมากต่อการกัดเซาะของเส้นตะกรัน ในเวลาเดียวกัน การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในปริมาณมากทำให้ต้องมีข้อกำหนดสูงสำหรับเสถียรภาพทางความร้อนของวัสดุทนไฟ ภายใต้ปฏิสัมพันธ์ของการสูญเสียจากการหลอมเหลวและการยุบตัวของวัสดุทนไฟ เส้นตะกรันของทัพพีจะเสียหายได้ง่าย และเหล็กจะแทรกซึมเข้าไป
ตะกรันที่ผ่านการกลั่นด้วย LF ทำให้เกิดการออกซิเดชันและการแยกคาร์บอนออกจากอิฐคาร์บอนแมกนีเซียได้ง่าย ตะกรัน LF มีความหนืดค่อนข้างต่ำที่อุณหภูมิสูง มีความสามารถในการซึมผ่านได้ดีในชั้นการแยกคาร์บอนออกจากกัน และมีความสามารถในการละลายสูงในแมกนีเซียมออกไซด์ ในเวลาเดียวกัน ตะกรันสามารถแทรกซึมเข้าไปในขอบเกรนของเพอริเคลสได้ง่ายเพื่อแยกอนุภาคทรายแมกนีเซียออกจากกัน ดังที่แสดงในรูปที่ 2 (SA คือตะกรันในรูป TA คือจุดตัดของสามชิ้น) ดังนั้น อายุการใช้งานของอิฐคาร์บอนแมกนีไซต์ของเส้นตะกรัน LF จึงค่อนข้างต่ำ Shen et al. ศึกษาเกี่ยวกับกลไกความเสียหายของอิฐคาร์บอนแมกนีเซียมในทัพพีในกระบวนการกลั่นด้วย LF อย่างเป็นระบบ ซึ่งบ่งชี้ว่ามวลรวมของเมล็ด MgO ขนาดเล็กจะถูกกัดกร่อนได้ง่ายโดยตะกรันที่อุณหภูมิสูง ภายหลังการกัดเซาะ ตะกรันจะยังคงแทรกซึมเข้าไปในส่วนภายในของมวลรวม MgO ตามแนวขอบเกรนของเพอริเคลส จนในที่สุดทำให้มวลรวมของเพอริเคลสแตกตัว
2. คุณภาพทนไฟ
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%) เป็นเรื่องค่อนข้างง่าย
เนื่องจากอิฐคาร์บอนแมกนีเซียไวต่อความชื้นและอิทธิพลของการเลือกสูตร ประสิทธิภาพของอิฐคาร์บอนแมกนีเซียจะได้รับผลกระทบในระดับหนึ่ง หลังจากอิฐคาร์บอนแมกนีเซียชื้น โครงสร้างจะหลวม และน้ำจะไหลออกที่อุณหภูมิสูงเพื่อสร้างช่องว่างเปล่าหลายช่อง ซึ่งจะส่งผลกระทบเชิงลบต่อเสถียรภาพทางความร้อนและความต้านทานการกัดกร่อนของอิฐเหล่านี้ และความสามารถในการรับมือกับเหล็กหลอมเหลวก็จะลดลงอย่างมากเช่นกัน MgO-C มีความไวต่อการสึกกร่อนทางเทอร์โมเมคานิกส์มาก เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของ MgO มีความสามารถในการกลับคืนสภาพได้สูง สารยึดเกาะของอิฐคาร์บอนแมกนีเซียยังเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อคุณภาพของอิฐคาร์บอนแมกนีเซีย สารยึดเกาะที่มากเกินไปหรือไม่เพียงพอจะส่งผลต่อประสิทธิภาพของอิฐคาร์บอนแมกนีเซีย สารยึดเกาะที่น้อยเกินไปจะทำให้ผงของอิฐคาร์บอนแมกนีเซียถูกยึดเกาะอย่างหลวมๆ และล้างออกและลอกออกได้ง่าย สารยึดเกาะมากเกินไปจะทำให้เสถียรภาพต่อแรงกระแทกจากความร้อนและความทนไฟของอิฐคาร์บอนแมกนีเซียเสื่อมลง และจะมีการเพิ่มธาตุที่เป็นอันตรายมากเกินไปลงในเหล็กที่หลอมละลาย
เมื่อทัพพีรับเหล็กหลอมเหลวจากตัวแปลง มันจะมาพร้อมกับตะกรันจำนวนมาก จุดหลอมเหลวต่ำ 2CaO·SiO2 ในตะกรันจะละลายเข้าไปในขอบเกรน MgO และทำปฏิกิริยาทางเคมีกับธาตุเจือปนเล็กน้อยในชั้น MgO ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการละลายของวัสดุทนไฟแมกนีเซีย จากมุมมองของตะกรันตัวแปลง การวิจัยเกี่ยวกับการปรับปรุงประสิทธิภาพของอิฐทนไฟแมกนีเซียคาร์บอนมุ่งเน้นไปที่ทรายแมกนีเซีย สารต้านอนุมูลอิสระ และโครงสร้างจุลภาคเป็นหลัก
นอกจากนี้การเติมสารต้านอนุมูลอิสระลงในอิฐคาร์บอนแมกนีเซียยังส่งผลต่อคุณภาพของอิฐด้วย เพื่อปรับปรุงความต้านทานการเกิดออกซิเดชันของอิฐคาร์บอนแมกนีเซีย มักจะเติมสารเติมแต่งจำนวนเล็กน้อย สารเติมแต่งทั่วไป ได้แก่ Si, Al, Mg, Al-S, Al-Mg, Al-Mg-Ca, Si-Mg-Ca, SiC, B4C, BN และสารเติมแต่งซีรีส์ Al-BC และ Al-SiC-C บทบาทของสารเติมแต่งมีสองประการหลัก: ประการหนึ่ง จากมุมมองทางอุณหพลศาสตร์ ที่อุณหภูมิการทำงาน สารเติมแต่งหรือสารเติมแต่งทำปฏิกิริยากับคาร์บอนเพื่อสร้างสารอื่น ความสัมพันธ์กับออกซิเจนจะมากกว่าคาร์บอนกับออกซิเจน และจะถูกออกซิไดซ์ก่อนคาร์บอน จึงปกป้องคาร์บอนได้ ในทางกลับกัน จากมุมมองจลนศาสตร์ สารประกอบที่เกิดจากปฏิกิริยาของสารเติมแต่งกับ O2, CO หรือคาร์บอนจะเปลี่ยนโครงสร้างจุลภาคของวัสดุทนไฟคอมโพสิตคาร์บอน เช่น เพิ่มความหนาแน่น ปิดกั้นรูพรุน และขัดขวางการแพร่กระจายของออกซิเจนและผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา [28] ปัจจุบันผง Al ส่วนใหญ่ใช้ในอิฐคาร์บอนแมกนีเซียเพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันของคาร์บอน แม้ว่า Al จะมีความสามารถในการต้านการเกิดออกซิเดชันที่แข็งแกร่ง แต่ที่อุณหภูมิสูง Al จะทำปฏิกิริยากับ C และ N2 เพื่อสร้างสารประกอบคาร์บอนและไนโตรเจนของ Al ในจำนวนนั้น คาร์ไบด์ Al นั้นสามารถให้ความชื้นได้ง่ายในกระบวนการตั้งแต่อุณหภูมิสูงไปจนถึงอุณหภูมิต่ำ ส่งผลให้เกิดช่องว่างภายในอิฐคาร์บอนแมกนีเซีย ซึ่งทำให้โครงสร้างคลายตัวและแตกร้าว
3. วิธีการก่ออิฐ
อิฐคาร์บอนแมกนีเซียมในไลน์ตะกรันทัพพีโดยทั่วไปจะใช้การก่ออิฐแห้ง (วางอิฐโดยตรงโดยไม่ใช้การยึดด้วยโคลนทนไฟ) และการก่ออิฐแบบเปียก (ใช้โคลนทนไฟผสมกับอิฐทนไฟ) ข้อดีของการก่ออิฐแห้งคือลดผลกระทบของโคลนทนไฟให้น้อยที่สุด ในสภาวะที่มีอุณหภูมิสูง เนื่องจากวัสดุของอิฐแมกนีเซียมและโคลนทนไฟต่างกัน อัตราการขยายตัวเนื่องจากความร้อนจึงแตกต่างกันเนื่องจากอุณหภูมิ ซึ่งอาจทำให้เกิดช่องว่างบนพื้นผิวสัมผัสได้ง่าย ข้อเสียของวิธีนี้คือไม่สามารถรับประกันได้ว่าอิฐจะสัมผัสกันอย่างใกล้ชิด 100% ในเวลาเดียวกัน เมื่ออิฐคาร์บอนแมกนีเซียมขยายตัวเนื่องจากความร้อน ไม่มีช่องว่างสำหรับการบัฟเฟอร์ระหว่างอิฐ ซึ่งทำให้อิฐถูกบีบและแตกหัก หรือเนื่องจากการขยายตัวของอิฐ วงแหวนทั้งหมดของเส้นตะกรันจึงถูกยกขึ้นเป็นหนึ่งเดียว และแรงอัดอันมหาศาลทำให้แผ่นขอบเสียรูป และวัสดุที่ทนไฟจะสูญเสียการป้องกัน และถูกชะล้างและหลุดลอกออก ซึ่งเป็นภัยคุกคามต่อคุณภาพของเส้นตะกรันมากขึ้น
วิธีการก่ออิฐแบบเปียกนั้นคล้ายคลึงกับวิธีการก่ออิฐในอาคาร แต่มีข้อกำหนดที่เข้มงวดกว่า ข้อดีของวิธีนี้คือสามารถหลีกเลี่ยงช่องว่างที่อาจเกิดขึ้นในงานก่ออิฐแบบแห้งได้ดี ในขณะเดียวกัน โคลนทนไฟจะอ่อนตัวเมื่ออยู่ที่อุณหภูมิสูง เมื่ออิฐคาร์บอนแมกนีเซียขยายตัวเนื่องจากความร้อน พวกมันสามารถไหลเพื่อปรับตัวให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงของช่องว่างระหว่างอิฐ ทำให้แรงอัดระหว่างอิฐกระจายออกไป จึงหลีกเลี่ยงการเกิดช่องว่างได้ ข้อเสียของวิธีนี้คือ การใช้โคลนทนไฟทำให้โครงสร้างของเส้นตะกรันไม่เสถียรและเพิ่มความยากในการก่ออิฐ หากโคลนทนไฟไม่เรียบ ช่องว่างระหว่างอิฐก็จะยังคงอยู่
