影响耐火材料抗渣性的因素及改进方法分析
发布日期： 2016-06-03 00:00:00 阅读量（764） 作者：在冶金过程中，抗渣性通常是指耐火材料在高温下抵抗熔渣侵蚀的能力。
炉渣的成分主要为CaO，SiO2，FeO，MnO,ZnO,BaO等，当炉渣碱度偏低时，对以CaO，MgO为主要成分的炉衬耐火材料侵蚀严重，炉衬寿命降低；相反，当炉渣碱度较高时，对炉衬的侵蚀则较轻微，炉衬寿命也相对有所提高。
这导致炼钢工艺中造渣技术的变革，采用轻烧白云石造渣，结果炉衬寿命有较大幅度的提高。炉渣中含有氟离子、金属锰离子等时，或者熔池温度升高到l700℃以上，溶液的粘度会急骤下降，炉衬的损毁速度加快，寿命大幅度降低。所以转炉钢水温度偏高，会使炉衬寿命相应降低。
溶液渗入耐火材料内部的成分包括：渣中的CaO、SiO2、FeO；钢液中的Fe、Si、Al、Mn、C，甚至还包括金属蒸气、CO气体等。这些渗入成分沉集在耐火材料的毛细孔道中，造成耐火材料工作面的物理化学性能与原耐火材料基体的不连续性，在转炉操作的温度急变下，出现裂纹、剥落和结构疏松，严格地说这个损毁过程要比溶解损毁过程严重得多。
因此，要降低溶液对耐火材料的渗透，措施有：a.应降低炉衬耐火材料的气孔率和气孔的孔径；b.在耐火材料中加入与溶液不易润湿的材料，如石墨、碳素等；c.严格控制溶液的粘度，即控制冶炼强度、控制出钢温度等。
熔渣侵蚀破坏耐火材料的机理十分复杂，一般包括有浸透、溶解和熔体冲刷等物理化学作用。抗渣性的表示方法可用熔渣侵蚀量mm或％表示。熔渣侵蚀是耐火材料在使用过程中最常见的一种损坏形式。耐火材料抗渣性的优劣主要与其自身的化学成分、矿物组成和组织结构等有关，还与熔渣的性质及其相互作用的条件(如温度、时间、流速等)有关。抗渣性是评价耐火材料的重要指标之一。
炉渣侵蚀耐火材料的过程可以分为：
1. 单纯溶解，耐火材料与熔渣不发生化学反应的物理溶解过程；
2. 反应溶解，耐火材料与熔渣在其界面处发生化学反应，使耐火材料的工作面部分转变为低熔点物，而溶于渣中，同时改变了溶液和制品的化学组成；
3. 侵入变质溶解，高温溶液或熔渣通过气孔侵入材料内部深处，或者通过耐火材料的液相扩散和向耐火材料的固相中扩散，使制品的组织结构发生质变而溶解。
炉衬耐火材料的损毁机理与耐火材料的化学成分、矿物结构，炼钢工艺过程等一些十分复杂的因素有密切关系，因此要在理论上完全说清楚几乎是不可能的。几十年来，人们对炼钢熔体与耐火材料之间的高温物理化学反应做过大量的研究，但是现在所能作出的结论，也还只是宏观的或是经验性的。归纳起来炉衬损毁的原因大致分成四类：
①机械冲击和磨损；
②耐火材料高温溶解；
③高温溶液渗透；
④高温下气相挥发；
其中以②，③两项被认为是最基本的损毁原因，所做的研究工作也最多。
由炉衬材料的抗渣侵蚀性试验，可得出镁碳砖的渣浸蚀过程为：石墨氧化→方镁石相被渣中SiO2、Fe2O3侵蚀→反应生成的低熔物被熔失。
在含碳炉衬的耐火材料中，随着碳含量的增加抗渣侵蚀性会有提高，但不是碳含量越高越好，因为碳含量越高，氧化失碳后炉衬耐火材料的结构越疏松，使用效果会变差。通过从大量的抗渣试验研究和转炉实际操作可以得出一些炉衬耐火材料抗侵蚀性的认识：
(1)铁水成分对炉衬耐火材料寿命有显著影响，特别是硅、磷、硫的含量。
(2)转炉终点温度过高将导致炉衬寿命降低，特别是当终点温度在1700℃以上，每提高10℃，炉衬耐火材料的侵蚀速率都会有显著增加。
(3)提高炉渣碱度有利于降低炉渣对碱性耐火材料的侵蚀。
(4)提高渣中MgO含量，可以降低炉渣对炉衬耐火材料的侵蚀。
(5)提高渣中FeO含量会导致炉衬耐火材料侵蚀加剧。
(6)转炉吹炼初期，渣碱度比较低，对炉衬侵蚀严重，应采用白云石造渣，使渣中MgO含量接近饱和状态。
(7)萤石对炉衬也有侵蚀，因此应尽量降低萤石的加入量。
(8)白云石、镁白云石耐火材料中，MgO的抗渣侵蚀性要优于CaO，但是有CaO存在可以提高耐火材料的高温热塑性和抗渣渗透性。
(9)要求炉衬耐火材料的原料有较高的纯度，如镁白云石砂要求杂质总量SiO2+A12O3+FeO小于3％；其他如电熔镁砂、石墨等也有类似要求。
耐火材料有一个重要的性质就是耐火度，耐火度是指在1580℃以上的无机非金属材料。包括天然矿石及按照一定的目的要求经过一定的工艺制成的各种产品。具有一定的高温力学性能、良好的体积稳定性，是各种高温设备必需的材料。
通常情况下，耐火材料按酸碱性分为酸性材料制品：以石英（SiO2)为主晶相。硅砖（SiO2≥93%）；60％≤SiO2≤80％，半酸性材料。(焦炉、玻璃熔窑、酸性炼钢炉)；
碱性材料制品：以MgO、CaO为主晶相。它们的熔点高，抗碱性渣侵蚀能力很强。镁铬砖、白云石砖、橄榄石砖。(碱性炼钢炉及有色金属冶炼炉)；
中性材料制品：以Al2O3、ZrO2为主晶相。黏土砖、高铝砖、莫来石砖、锆英石制品。(高温炉衬材料,石油、化工的高压釜内衬)；
耐火材料一旦被炉渣侵蚀后就把Si，Mn，Ba，Mg，Al等杂质元素带进铁水钢液之中，给冶金过程带来极大地不便。轻则加长冶炼周期，增加冶炼成本，重则损耗冶金设备，造成安全事故。
而且，耐火材料中部分金属元素是对人体有害的，硅微粉吸入肺部后可致人肺痨，楼上说的硅质纤维类确实对人体也有很大危害，其实其它象无机纤维类在吸入气管或肺部后同样危害人体，另外，氧化铬在碱性高温环境中有毒，沥青、沥青结合耐火材料及干馏后耐火材料在加热后散发的气体有毒
炉外精炼是减少炉渣侵蚀最根本最有效的方法之一。
炉外精炼是指在钢包中进行冶炼的过程,是将真空处理、吹氩搅拌、加热控温、喂线喷粉、微合金化等技术以不同形式组合起来,出钢前尽量除去氧化渣,在钢包内重新造还原渣,保持包内还原性气氛。炉外精炼的目的是降低钢中的C、P、S、O、H、N、等元素在钢中的含量,以免产生偏析、白点、大颗粒夹杂物,降低钢的抗拉强度、韧性、疲劳强度、抗裂性等性能。这些工作只有在精炼炉上进行,其特点与功能如下:
1)可以改变冶金反应条件。炼钢中脱氧、脱碳、脱气的反应产物为气体,精炼可以在真空条件下进行,有利于反应的正向进行,通常工作压力≥50Pa,适于对钢液脱气。
2)可以加快熔池的传质速度。液相传质速度决定冶金反应速度的快慢,精炼过程采用多种搅拌形式(气体搅拌、电磁搅拌、机械搅拌)使系统内的熔体产生流动,加速熔体内传热、传质的过程,达到混合均匀的目的。
3)可以增大渣钢反应的面积。各种精炼设备均有搅拌装置,搅拌过程中可以使钢渣乳化,合金、钢渣随气泡上浮过程中发生熔化、熔解、聚合反应,通常1吨钢液的渣钢反应面积为0.8～1.3mm2,当渣量为原来的6%时,钢渣乳化后形成半径为0.3mm的渣滴,反应界面会增大1000倍。微合金化、变性处理就是利用这个原理提高精炼效果。
4)可以在电炉(转炉)和连铸之间起到缓冲作用,精炼炉具有灵活性,使作业时间、温度控制较为协调,与连铸形成更加通畅的生产流程。
发展炉外精炼技术需解决的问题及发展方向炉外精炼技术已经应用40年,对提高钢的纯净度、精确控制成分含量及细化组织结构等方面都起了重要作用,使冶炼成本大幅降低,同时提高了钢的品质和性能。但在发展的过程中也出现了一些问题,有待于解决,使这项技术更加完美。
1)实现炉外精炼工艺的智能化控制,根据来料钢水的各种技术参数,利用信息技术,制定最佳的精炼工艺方案,并通过计算机控制各精炼工序。精炼工位配备快速分析设备,实现数据网络化,减少热停等待时间。
2)炉外处理设备将实现“多功能化”。在水钢精炼设备中将渣洗精炼、真空冶金、搅拌工艺以及加热控温功能全部组合起来,实现精炼,以满足超纯净钢生产的社会需求。
3)开发高纯度、高密度、高强度的优质碱性耐火材料,以适应不同精炼炉的需要,注重产品质量的稳定性。耐火材料的使用条件应尽可能与炉渣相适应,最大限度地降低侵蚀速度。要根据精炼设备的实际情况形成不同层次的配套材料,研究开发保温和修补技术,提高炉衬的使用寿命。
4)减少精炼过程的污染排放,精炼过程会产生大量废气,其中含SO2、Pb、金属氧化物、悬浮颗粒等,在真空脱气冷却水中含有固态悬浮物、Pb、Zn等,这些污染物须经企业内部的相关处理,把污染程度降低到符合排放标准后再排放,加强环境保护意识。
炉外精炼技术是一项提高产品质量,降低生产成本的先进技术,是现代化炼钢工艺不可缺少的重要环节,具有化学成分及温度的精确控制、夹杂物排除、顶渣还原脱S、Ca处理、夹杂物形态控制、去除H、O、C、S等杂质、真空脱气等冶金功能。只有强化每项功能的作用,才能发挥炉外精炼的优势,生产出高品质纯净钢种。
其次，保证和提高原料的纯度，改善制品的化学矿物组成。耐火材料制品通常多为多晶组成体，单一相间熔体速度不同，如主晶体周围的基质多为耐火性质低的矿物或含量较多的低熔物，使其稳定性低于主晶溶解速度，在高温熔渣的作用下，常成为整个制品的薄弱环节，因而改变基质部分化学矿物组成，尽量减少其中低熔物和杂质的含量，能够有效地提高制品的抗渣性。还有，选择适宜的方法减产，获得具有致密而且均匀的组织结构的制品。通常熔渣侵蚀过程是各种复杂因素综合作用的最终结果，在实验条件下可以通过适量的减产来保证炉衬耐火材料的抗渣性。
另外常见的减少炉渣的侵蚀方法还有提高炉渣碱度,改善炉渣流动性,缩短出炉时间,减少出铁口受到的机械冲刷侵蚀及空气氧化机率。
炉渣碱度低,黏度大,流动性差,排渣不畅,须增加人工用圆钢带渣操作,延长出炉时间,加剧了出铁口手机械冲刷及空气氧化的程度,在生产工艺上,炉渣碱度低,不利于MnO的还原,Mn回收率低。因此,提高炉渣碱度改善炉渣流动性,可减少出铁口受到侵蚀,提高Mn回收率,改善各项技术经济指标。近年来,我们在配足焦炭,改善炉况方面做了很大的努力,使SiO2还原率增加,渣中SiO2含量由原来的34-36%下降至30-31%,炉渣碱度由0.35-0.4提高至0.5以上,大大改善了炉渣流动性,出炉时间有18-20分钟缩短到13分钟以内,大幅度减少了出铁口受到的机械冲刷和空气氧化侵蚀。
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