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耐火材料对钢中主要元素的影响

发布日期: 2020-03-25 11:42:20    阅读量(122)    作者:张红

钢中的氧含量指总氧含量即T[O],包括溶解氧S[O]和氧化物夹杂中氧i[O]。由于氧化物夹杂中的氧在钢中总氧含量中占比较大,因此,可用钢中总氧含量来表征钢中氧化物夹杂的数量。耐火氧化物的溶解或分解造成增氧,有研究表明,Al、Si、Cr、Zr在铁水中的溶解度都很大,而Mg与Ca由于在高温下以气态存在,在铁水中的溶解度很低,钢中合金元素易于结合钢水中的游离[O]形成氧化物MxOy,如果钢中氧化物MxOy在冶炼过程中不上浮也会留在钢水中,则会成为钢中的夹杂物。

1耐火材料与熔融钢铁之间的反应模型

Brabie VMgO-C内衬钢包精炼中钢中夹杂物的形成进行了研究,表明由于镁蒸气和溶解铝的作用,钢包内衬形成氧化物薄膜;由于在MgO-C反应中伴随有CO气体生成,MgO-C质耐火材料和铝镇静钢中氧活性降低;钢中形成的夹杂物主要是MgOAl2O3或者二者的混合物,由于耐火材料内衬中的MgO向钢中扩散,在钢的溶解固化作用下形成的二次夹杂。

 

2精炼铝镇静钢与MgO-C耐火材料之间的反应机理

刘家占研究了不同耐火材料对钢中氧含量的影响,并采用热力学原理分析耐火材料向钢水中传[O]主要是由于耐火氧化物分解产生的氧分压大于钢中的氧分压。耐火材料中的MgOCaO可以起到降低钢中总氧含量的作用,李镇等采用反应诱发微小异相去除钢水中细小夹杂物工艺,以石灰石粉料、低熔点预熔渣为原料经研磨造粒,制成具有三层结构的复合球体,在RH精炼过程中喂入复合球体能够显著降低钢水的w(T[O]),同时降低了铸坯中氧化物夹杂的尺寸和数量。碳复合耐火材料对钢水可以起到脱氧增碳的作用,主要是碳与钢水中[O]反应生成CO(g)

镁碳材料是研究含碳耐火材料对熔融钢液的增碳研究的首选,薛燕鹏在研究了钢包用耐火材料与A508-3钢水之间的相互作用,MgO-C耐火材料向钢水中增碳的方式主要是溶解脱碳。MgO-C耐火材料对钢水发生显著的增碳作用,从碳含量整体分布看,钢水碳含量随时间变化符合指数增长规律。

 

3镁碳耐火材料与钢水接触时间和钢中碳含量的关系

何平显等研究了钢包用含碳耐火材料及MgO-Al2O3-SiC浇注料对IF钢的增碳规律,表明碳含量越高,对钢水增碳量越大,随着与钢水接触时间延长,对钢水的增碳速率减小;除此之外,MgO-Al2O3-SiC浇注料也可增加钢水中碳元素含量。镁碳质耐火材料-钢水界面还会形成的富MgO反应层,其厚度、化学组成与钢水成分、钢水中氧活度以及冶炼时间有关。WeiY等研究表明:向耐火材料中添加石灰石,耐火材料中石灰石高温分解产生的CO2可以与钢中的Mn元素发生反应,使得钢中的C含量以及全氧含量增加。

磷是钢铁中的有害元素,一般钢中磷含量要求小于O.035%,对低温韧性要求较高的钢种要求磷含量在0.005%以下。由于高炉中冶炼生铁时不能起到脱磷作用,矿石中的磷元素几乎全部进入铁水中,脱磷过程主要是集中在钢水与渣的界面上进行,其中钢水中的磷是以气态氧化物的形式存在的,由于气态P205不稳定,故易于渣中碱性氧化物发生反应,起到脱磷作用。

根据分子脱磷理论有如下关系:

 

碱性耐火材料中的CaOMgO也可对熔融金属脱磷起到关键作用,耐火材料中MgOCaO与钢水接触并发生反应并生成低熔点液相,液相在精炼过程中起到的作用与钢渣的作用相似,所以碱性耐火材料可以起到脱磷的作用。含碱性氧化物耐火材料对钢水脱磷的作用机制

 

金属熔体内的磷被氧化后,其氧化产物与耐火材料中的CaO/MgO组分结合并转化为稳定的Ca3(P04)2/M93(P04)2相,磷酸盐进入钢渣中或耐火工作衬,避免金属回磷,实现脱磷;其中,当CaO达到25%时即有明显的脱磷效果,进一步提高CaO添加量可一定程度上提高脱磷率,但提高幅度并不大。

钢中的硫是有害元素,影响钢材的机械力学性能、耐腐蚀性能。普通钢的硫含量一般在0.015%0.045%,而高品质钢的硫含量要求更低。如能源领域中的管线钢材、压力容器钢等,为得到良好机械性能的钢材,要求钢中硫元素含量低于0.0005%。硫在钢水中以硫元素形式存在,脱硫反应为氧化还原反应,即

 

其中O2-可以由渣中的氧化物提供,而碱性耐火材料中的CaO同样对熔融金属脱硫起到关键作用。陈肇友等研究了耐火材料与洁净钢的关系,表明钢中硫含量与耐火材料中氧化物及复合氧化物的氧势高低有关,即钢水中硫及溶解氧的含量与耐火材料中氧化物氧势的高低具有相同规律;王学达等研究表明,镁碳耐火材料会增加钢中C元素含量,镁铝耐火材料则会增加钢中Al元素含量,而镁铬耐火材料会增加钢中PS元素含量,另外,含CaO的镁钙耐火材料可以吸收钢中PS元素,是冶炼洁净钢的理想耐火材料之一。

氮元素在钢中以氮化物形式存在,它对钢质量的影响表现出双重性。氮含量较高的钢种长时间放置会发生老化时效,主要是由于钢中氮化物的析出速度较慢,逐渐改变钢的性能。除此之外,钢中细小氮化物(TiNAlN)夹杂可改善钢的机械加工性能,是有利的元素。氢元素在固态钢材中溶解度较小,在钢水凝固和冷却过程中,氢易与CON2等气体同时析出,形成皮下气泡中心缩孔,造成白点和发纹。战东平等在研究耐火材料对钢水洁净度的影响中表明,炼钢过程中钢包顶渣对氢有一定的溶解度,同时,耐火材料中的水分及所有机粘结剂都会影响钢水中的氢元素含量,而通过对钢包和中间包耐火材料进行预热可有效降低钢水中氢元素含量。

耐火材料的组成元素溶解到熔融钢液中,包括氧化物或氮化物、碳及各种结合剂与添加剂,均可降低洁净钢的洁净度;同时,耐火材料与熔融钢液界面反应所形成的液相层可以吸附钢中的夹杂,提高钢的质量。

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