徐平坤(kūn)
以前,從煉鋼工藝的角度研(yán)究提高鋼的純淨度,沒有(yǒu)考慮與鋼水直接接觸的耐火材料對鋼水的淨化作用(yòng),總是認為耐火材料或多或少地會對鋼水產生汙(wū)染。可是通過對白雲石質(鎂鈣質)耐火材料的理論研究和實際試驗,得出鎂鈣質(zhì)材料不但不汙染鋼(gāng)水(shuǐ),反而能淨(jìng)化鋼水,並且也不汙染環境,在AOD、VOD、精(jīng)煉鋼包(bāo)等爐外(wài)精煉裝置中應用日益增加。
白雲石與鎂鈣質耐火材料(liào)的特征
白雲(yún)石(CaCO3·MgCO3)是天然礦物(wù)原料,煆燒後的理論組成為w(CaO)58.18%,w(MgO)41.82%,比值為1.93。鎂鈣質耐火(huǒ)材料主要包括白雲石質耐火材料、鎂白雲石質耐火材料、鎂鈣(gài)質耐火材料。
其中,白雲石質耐火(huǒ)材(cái)料是指全部用煆燒或電熔的白雲石做原料的定(dìng)型或不定形耐火材料(liào);鎂白雲石(shí)和鎂(měi)鈣質耐火(huǒ)材料(liào)是用鎂石與白雲石合成的耐火材料。MgO、CaO含量的變化影響鎂鈣質製品的高溫使用性能,MgO含量越高,抗FeO、Fe2O3、Al2O3熔渣和抗水(shuǐ)化能力越強;CaO含量越高,抗高SiO2熔渣的能力越(yuè)強,高溫蠕變越大,抗剝落性能和脫硫、脫磷的效果越好,但抗水化和抗FeO、Fe2O3、Al2O3侵蝕的性能越差。因(yīn)此,應該根據爐(lú)外精煉等熱工設備的不同(tóng)部位使用(yòng)條件,合理選擇鎂鈣質耐火材料中的w(CaO)/w(MgO)。
白雲石質耐火(huǒ)材料對淨化鋼(gāng)水作用的影響
潔淨(jìng)鋼、特殊鋼等對鋼中的雜質O、S、P、C、H、N等元素及SiO2、Al2O3等夾雜物的含量要(yào)求嚴格(gé),需要爐外精煉除去鋼中雜質及夾雜物以及脫氣、調整化學成分(fèn)和均勻化等。鎂鈣質(zhì)耐火材料中的遊離CaO,易與鋼水中的S、P等雜質反應,使其轉(zhuǎn)移到爐渣中,具有除去雜質(zhì)、淨化鋼水的功能。由於CaO的氧勢很低,鎂鈣質耐火材料也適合用於冶煉低氧鋼(gāng),是爐外精煉冶煉潔淨(jìng)鋼、純淨(jìng)鋼、特殊鋼等設備的耐火材料。近年來,為了(le)淨化鋼水、延長爐襯壽命、降(jiàng)低耐火(huǒ)材料消耗,研究人(rén)員對白雲石質耐火材料進行了許多試驗研(yán)究,取得了很(hěn)好的結果(guǒ)。
MgO在真空條件下容易揮發,而(ér)CaO對MgO的揮發性是有(yǒu)影響的,含有10%~20%CaO(摩爾分(fèn)數)就可使MgO相對揮發性大大降低(dī)。因此,MgO質材料中加入一定(dìng)量的CaO製成MgO—CaO質耐火材料(liào),在高溫真空條件下使用比純MgO質(zhì)耐(nài)火材(cái)料更合適。
鋼(gāng)水中的脫S反應中,要使鋼水S含量低,熔渣必須是CaO含量高的高堿度渣,並且鋼水中溶解的O含量盡可(kě)能要低。要使(shǐ)O含量低,就要選擇氧勢盡(jìn)可能(néng)低的(de)耐火材料,Mg與Ca在高溫下以(yǐ)氣態存在,在鋼(gāng)水中的溶解度很小(xiǎo),而CaO的氧勢也很小,因此,精煉設(shè)備應該選用鎂鈣質耐火材料。溫度升高不利於(yú)脫(tuō)P,但(dàn)鋼包中采用CaO含量高即(jí)堿度高的熔渣有利脫P,因(yīn)此,用CaO含量高的鎂鈣質(zhì)耐火材(cái)料同樣也有利脫P。
鎂鈣質耐火材料的熱震(zhèn)穩定性高、抗渣滲(shèn)透性(xìng)好(hǎo),特別是熔渣中SiO2滲入會(huì)與MgO-CaO耐(nài)火材(cái)料(liào)中的(de)CaO反應生成高熔點化合物C2S或C3S,形成保護層,從(cóng)而(ér)抑製熔渣的滲透。
關於H含量的問題,采用真空精煉,其H主要來自熔(róng)渣或精煉設備(bèi)內襯耐火材料的水分及有機添加物。熱力(lì)學分析認為:要在1200℃下長(zhǎng)期烘烤(kǎo),充分排除(chú)其中的(de)水分,就(jiù)不存在鋼水中氫(H)含量增高問題。
鎂鈣質耐火(huǒ)材料對鋼水性能的影響
耐火材料對鋼中氧含量(liàng)的(de)影響:王龍光等人認為MgO—CaO耐火材料中的CaO熱力(lì)學穩定性高,具有很低的氧平(píng)衡分壓,在鋼水中的溶解度很小,被認為是防止鋼水增(zēng)氧的有效材料(liào)。
耐火材料對鋼中S的影響:田琳等人試驗研究鎂鈣磚與鋼水中S的(de)反(fǎn)應,檢(jiǎn)驗鎂鈣質耐火材料的脫(tuō)S效果(guǒ)。結果表(biǎo)明:在1600℃下,反應45min時(shí),脫S效果更好,脫S率達(dá)70.12%;超過45min,脫S率降低,出現“回S”現象。為(wéi)了(le)使鋼包獲得有效的脫(tuō)S效果,使用(yòng)白雲石質(zhì)鋼包(bāo)內襯是很必要(yào)的,這樣一方麵可以盡可能降低鋼包內襯的再氧化能力,另一方麵可以避免強還原條件下鋼包渣導致耐火材料的過度消耗。
耐火材料對鋼中P含量的影響:匡(kuāng)加才研究(jiū)MgO—CaO質澆注料對(duì)鋼(gāng)中P含量的影響。實(shí)驗結(jié)果表明:當澆注料中w(CaO)為25%時,鋼中P含量大幅度降低,由(yóu)原始(shǐ)的0.1%降低到0.01%,進一步提高(gāo)CaO含量,鋼中P含(hán)量僅有小幅度降低(dī)。
耐(nài)火材料對鋼水碳含量的影響:實(shí)驗表明,使用含C耐火材料,鋼(gāng)水顯著(zhe)增C,當同一製品第二次使用時,鋼水僅發生輕微增C。
耐火材料對鋼中H(氫)含(hán)量的影響(xiǎng):耐火(huǒ)材(cái)料中的水分以及(jí)其中的有機粘結劑會對鋼(gāng)水中的H含量產生顯著(zhe)影響。連鑄過程中,鋼包和中間包係統中使用保護套管保護主流時,有機(jī)粘結劑導致吸H。對鋼包、中間包烘(hōng)烤,能有效地降(jiàng)低鋼水的吸H量。
耐火材料對鋼中N(氮)含量的影響:傳統耐火材料N含量很低,近年來氮化物在耐火材料中應用受到(dào)關(guān)注,如Sialon分解對鋼水造成增N。更大的增N量在鋼包與中間包之間,保護套管非常重要,連(lián)鑄的增(zēng)N點就(jiù)是長水口保護,此(cǐ)處增N可達(15~30)×10-6。
耐火材料對鋼水中夾雜物(wù)的影響(xiǎng):田琳等(děng)人研究了鎂鈣、鎂鋁、鎂鉻耐火材料對管線鋼鋼水潔淨化的影響,實驗表明:在反(fǎn)應30min的情況下(xià),隻有鎂鈣質耐火材料能去除(chú)鋼水中的夾雜(zá)物(wù),其餘的堿性耐火材料均使鋼(gāng)水夾雜物數量增(zēng)加(jiā)。Al2O3、SiO2等夾雜物可與鎂鈣耐火材料中的CaO反應,如CaO與Al2O3反應生成Ca12Al4O3的複(fù)合(hé)化(huà)合物,熔點約為1400℃左右,可(kě)有效地去除(chú)鋼中Al2O3夾雜物。CaO與SiO2反(fǎn)應生成C2S(矽酸二鈣)和C3S(矽酸三鈣)高熔點化合物(wù)被吸附鎂鈣質耐火材料表麵,形(xíng)成保護層,或者從鎂鈣質耐火材料表麵上剝(bāo)落下來上(shàng)浮至保護渣層中;在鎂鈣質耐火材料(liào)中的活性CaO含量越高,吸附鋼水中夾雜物的(de)能力越強。
鎂鈣質耐火材料的抗侵蝕性(xìng)能:梁義兵等(děng)人采用靜態坩堝法研(yán)究3種不鏽鋼冶煉用鎂鈣磚的抗渣性。試驗(yàn)結果得出,CaO含量高的白雲石磚抗高堿度的AOD渣侵蝕和滲透能力比(bǐ)較強(qiáng)。燒成(chéng)白雲石磚基質部分致密程度高,較不燒白雲石磚具有(yǒu)更好的抗高堿度(dù)渣侵(qīn)蝕性。堿度較低的VOD爐渣對三種(zhǒng)磚的侵蝕和滲透比高堿(jiǎn)度渣嚴重得多。相對而言(yán),燒成的鎂(měi)鈣磚抵抗低堿度渣侵蝕性明顯好於不燒鎂鈣磚,CaO含(hán)量高的燒成鎂鈣磚抵抗低(dī)堿度(dù)渣(zhā)侵(qīn)蝕能力好於CaO含量低的鎂鈣磚。鎂鈣質材料具有良好(hǎo)的抵抗高堿度熔渣的侵蝕和滲透能力,這是因為渣與(yǔ)鎂鈣(gài)材料作用析出C3S,使材(cái)料表層致密化而有效抑製熔渣的滲(shèn)透。低堿度熔渣(zhā)具有較(jiào)強的侵蝕和滲透能力,主要是熔渣對基質的強溶蝕並滲透作用。
臨高(gāo)鎂磚之鎂鈣碳磚的性能及抗侵蝕的研究(jiū)
鎂(měi)鈣碳磚主要性能(néng):MgO—CaO—C磚較燒成鎂鈣磚種類複雜。除具備鎂鈣(gài)磚的特性外,鎂鈣碳磚比(bǐ)鎂(měi)碳磚具有更(gèng)好的真空穩定性、抗(kàng)熱震性(xìng)。鎂鈣(gài)碳磚的性能同時取決於CaO及C的含量。CaO含量越高,抗剝落性能(néng)越(yuè)好(hǎo),淨化鋼水的效果也越好;C含量越高,抗渣侵(qīn)蝕和抗剝落性能越強。
鎂鈣碳磚的抗侵蝕研究(jiū):崔淑賢等人(rén)采(cǎi)用煉鋼轉爐的初期(qī)渣、中(zhōng)期渣和終期渣分別對(duì)鎂鈣碳(tàn)磚及鎂碳磚的侵蝕進行實驗。實驗結果表明:初期渣MgO—C磚蝕損率比MgO—CaO—C磚高7.3%,是因為MgO—C磚產生結構剝落,蝕(shí)損最嚴重(chóng);MgO—CaO—C磚的侵(qīn)蝕較輕,是因為在磚的界麵上產生了C2S保護層;可是中期渣和終期渣(zhā),MgO—CaO—C磚的蝕損率反而分別比MgO—C磚高0.4%和(hé)1.2%,因(yīn)為其在高溫中及被渣中∑FeO溶解(jiě),所以比MgO—C磚(zhuān)侵蝕嚴重。
孫惠章等人研究結果表明鎂白雲石碳磚高溫抗氧化性和(hé)熱震穩定性好,抗酸性(xìng)熔渣能力強;而且磚中的CaO有利(lì)於鋼水的脫O、脫S、脫P等,適合冶煉鋼的電爐爐襯。
白雲石質耐(nài)火材料對潔淨鋼的影響
潔淨鋼係指鋼中有害成分(S、P、O、H、N)含量非常少(shǎo),非金屬夾雜(zá)物不僅數量少,而且尺寸很小和形態得到控製,合金元(yuán)素成分精準並且分布均勻(yún),使鋼材具(jù)有高性能、高品質。在鋼水從冶煉到精煉的整個(gè)過程中,耐火材料始(shǐ)終與(yǔ)鋼水接觸,一般耐火材料對鋼水或多或少總有些汙染,唯有白雲石質即鎂鈣質耐火材料能淨化鋼水,除去(qù)鋼中的非(fēi)金屬夾(jiá)雜物,而且不汙染環境(jìng)。