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超低氧洁净钢用钢包工作衬耐火材料的发展

高铝砖系、碳复合系、高纯铝镁系和氧化钙系耐火材料尽管满足了使用寿命的要求,但都无法真正实现对钢水的洁净化和无污染. 基于此,钟香崇院士等国内外知名学者提出未来冶金耐火材料应该从单一的优异热机械性能向功能化方向发展,即:(1) 耐钢水侵蚀性好; (2) 材料具有能吸附、改性以及促进夹杂物去除等净化钢水的功能.基于此,国内外在钢包工作衬用耐火材料方面主要围绕材料组分选择和结构优化展开相应的工作。

从热力学上讲,耐火氧化物与钢水在高温下存在一个氧势平衡,氧势的大小对钢水洁净度有重要影响,这主要是因为氧势高易造成钢水增[O],从而形成非金属夹杂物. 基于此,陈肇友与 Bannen-berg分别从理论计算和实验上系统研究了不同的耐火材料组成对钢水增[O]作用. 基于他们的研究结论并综合考虑材料的性能和成本,Al2 O3、MgO、CaO 或者 MgO·Al2 O3 等组分更适宜作为钢包衬耐火原料。

明确适宜的耐火原料组分后,若耐火原料间只是简单的机械复合,即使是稳定性良好的高纯铝镁系耐火材料,仍不可避免存在向钢水中引入一系列夹杂物的可能。至于净化钢水的功能,传统的氧化钙系耐火材料并没有很好地解决 CaO暴露而导致的易水化的问题。因此,如何发挥各组分作用的关键在于材料结构的优化,即耐火材料中的Al2O3、MgO、CaO 不是简单的机械组合而是以化合物或固溶体的形式在分子、原子尺度上结合。为了实现上述目的,材料研究者运用现代相关理论和技术进行了大量的尝试。

例如采用纳米技术引入氧化铝和氧化镁微粉以改善材料不同相的界面结合; 应用数理方程进行最紧密堆积计算和建立连续尺寸颗粒分形分布模型等方法来提高材料的致密度; 利用氮化工艺制备MgAl2O4 –MgAlON材料,提升材料的高温机械性能和熔渣渗透,减少对钢水的污染等。但是这些尝试并未取得实质性突破。

近来,Chen等提出了 CaO·xMgO·( 6 + x) Al2O3的“三元原料”的概念,其组成基于MgO· Al2 O3 ( MA) 和 CA6两种组元。为了将具有钢水净化功能的CaO引入,他们进一步合成了 CaMg2 Al16 O27 ( CM2 A8 ) ,该材料可以看做是磁铅石基块M( CA6 )和尖晶石基块S( MA) 在C轴向按( MS) n方式堆积的。利用较为疏松CM2 A8进行抗渣实验,结果如图1所示。

可以看出材料与熔渣等反应时不释放游离的Al2O3 和 MgO,而是在反应界面解体释放出CA2、 CaO·Al2 O3 ( CA)及MA,随着继续反应持续进行,CA将逐渐转变为 C12A7,该组分具有潜在钢水净化功能; 而熔点相对较高的MA和CA2则有效地阻止熔渣继续向内部渗透,使得耐火材料具备持续使用的潜力。

 

为证实 CA6材料在钢水精炼方面的可行性。基于CA6制备出了Al2O3 –MgO·Al2 O3 –CaO·6Al2 O3( AMC) 复相材料,并在国内某钢厂200 t 汽车板钢精炼钢包中进行了实验,结果表明该材料展现出了良好的抗渣侵蚀性能,能够将原来刚玉尖晶石浇注料的30炉次使用寿命提高到 40 ~ 50 炉次.上述超低氧钢( 或洁净钢) 用钢包工作衬用耐火材料的发展为高品质钢的进一步发展提供了研究方向,但是想要实现此类材料的工业推广应用,科研工作者和冶金技术人员还需要付出持续的努力。可以预见,功能性新型钢包工作衬用耐火材料将在未来高尖端钢种的生产过程扮演非常重要的角色!

随着炉外精炼在超低氧钢(洁净钢) 冶炼过程所占比重的提升,钢包工作衬用耐火材料具备净化钢水的功能越来越重要。为此,通过对现有钢包工作衬用耐火材料研究现状的汇总、分析,提出了新型耐火材料设计和发展的方向和重点。

(1) 耐火原料的选择上要兼顾低氧势和低成本,确保在不向钢水增[O]和[C]的前提下,其成本允许在钢厂工业化推广。

(2) 材料设计方面要摒弃以往只基于天然原料机械混合的思路,要从成分调控、结构匹配等角度实现材料性质的精确控制,制备出新型的钢包工作衬用耐火材料。

(3) 钢包工作衬用耐火材料在服役过程,在生成可抵御后续侵蚀致密层的同时,要有一定量的类似于C12 A7 等精炼剂组分,有助于吸附钢水中夹杂物,达到净化钢水的目的。

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