輕量Al2O3-MgO澆注料抗渣性能研究.pdf

1、鋼包作為冶金工業(yè)必不可少的承接、運(yùn)輸以及精煉鋼水的設(shè)備，其內(nèi)襯耐火材料熱導(dǎo)率大易于引起鋼水降溫，同時(shí)由于復(fù)雜的服役條件導(dǎo)致內(nèi)襯材料剝落頻繁，鋼中夾雜物增多，鋼材質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。微孔骨料具有大量微細(xì)氣孔，導(dǎo)熱系數(shù)小，抗熱震性好，被認(rèn)為有望克服上述問題，然而，其能否成功應(yīng)用于精煉鋼包內(nèi)襯的關(guān)鍵在于采用微孔骨料制備的澆注料的抗渣性能。
　　本文基于骨料微孔化、基質(zhì)緊密化的思想，以輕量Al2O3-MgO澆注料為研究對(duì)象，首先建立了澆注料

2、基質(zhì)顆粒緊密堆積模型，對(duì)基質(zhì)的粒徑分布進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用實(shí)驗(yàn)對(duì)比不同基質(zhì)粒徑分布下輕量Al2O3-MgO澆注料的性能變化;基于感應(yīng)爐動(dòng)態(tài)抗渣，研究不同顯微結(jié)構(gòu)特征的輕量剛玉對(duì)澆注料抗渣性能的作用;然后，研究輕量Al2O3-MgO澆注料抵抗不同組分體系、堿度以及氣氛條件的熔渣渣蝕行為，通過添加SrO調(diào)控三元系A(chǔ)l2O3-CaO-SiO2精煉渣的物化性能，分析SrO對(duì)精煉渣渣蝕行為的影響。最后，采用數(shù)值模擬方法，建立輕量Al2O3-MgO澆注

3、料的熔渣侵蝕數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行渣蝕模擬，對(duì)相關(guān)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。研究得到如下主要結(jié)論:
　　(1)對(duì)于輕量Al2O3-MgO澆注料，其基質(zhì)顆粒緊密堆積所對(duì)應(yīng)的q值與普通澆注料有所不同，q值以0.28左右為宜，此時(shí)試樣具有最佳的綜合性能。q值為0.25時(shí)，由于試樣基質(zhì)內(nèi)微粉量較多，燒結(jié)時(shí)晶界移動(dòng)快，晶粒較大，抗渣侵蝕性能好，但基質(zhì)同時(shí)發(fā)生較大收縮并在部分區(qū)域與骨料脫離，對(duì)材料的顯微結(jié)構(gòu)不利，導(dǎo)致抗渣滲透性能下降。熔渣侵蝕時(shí)，具有小

4、孔徑、大晶粒的基質(zhì)能在渣-基質(zhì)界面處形成致密CA6層，起到延緩熔渣侵蝕的作用。
　　(2)動(dòng)態(tài)渣蝕條件下，骨料微結(jié)構(gòu)參數(shù)（如晶粒大小dp、球形度as以及顯氣孔率ε）通過改變骨料與熔渣的接觸界面面積以及骨料在渣中溶解的擴(kuò)散邊界層厚度影響骨料在渣中的溶解速率。三者對(duì)澆注料抗渣蝕性能的綜合影響可以定義為“材料顯微結(jié)構(gòu)決定的抗渣溶解侵蝕因子Rm”，且有1/Rm=1-ε/dp1.5·as0.534。骨料顯微結(jié)構(gòu)中具有堆疊的大鱗片狀晶粒時(shí)，其

5、在渣中溶解速率最慢，抗渣侵蝕性最好。
　　(3)動(dòng)態(tài)渣蝕條件下，對(duì)于不同組份體系的熔渣，熱力學(xué)因素對(duì)于抗渣侵蝕效果起主導(dǎo)作用;其中，Al2O3-CaO-SiO2渣對(duì)輕量Al2O3-MgO澆注料的侵蝕導(dǎo)致試樣骨料和基質(zhì)在渣中的直接溶解，侵蝕程度最嚴(yán)重;Al2O3-CaO渣和Al2O3-CaO-SiO2-MgO渣與澆注料接觸時(shí)在界面分別形成了以CA6和方鎂石為主要物相的隔離層，侵蝕變?yōu)殚g接溶解，程度較輕。對(duì)于Ca/S1分別為0.42、

6、0.84和1.12的Al2O3-CaO-SiO2渣，Marangoni對(duì)流導(dǎo)致的動(dòng)力學(xué)侵蝕相較熱力學(xué)因素占據(jù)主導(dǎo)。其中，Ca/Si=0.84渣由于Marangoni對(duì)流侵蝕程度較為顯著，同時(shí)熱力學(xué)侵蝕較為明顯，總體對(duì)澆注料的侵蝕最嚴(yán)重。Ca/Si=1.12渣的Marangoni對(duì)流程度與Ca/Si=0.84渣接近，但熱力學(xué)侵蝕較輕，對(duì)澆注料的侵蝕程度略弱;Ca/Si=0.42渣雖然熱力學(xué)侵蝕較明顯，但由于Marangoni對(duì)流程度最輕，

7、總體侵蝕最小。
　　(4)轉(zhuǎn)爐渣對(duì)輕量Al2O3-MgO澆注料的侵蝕行為與環(huán)境氣氛密切相關(guān)，相比P(O2)=0.21atm氣氛，P(Ar)=1.0atm氣氛下熔渣的侵蝕程度明顯減輕，但滲透加劇。氣氛影響熔渣中的變價(jià)離子如Fe，Mn的價(jià)態(tài)及存在形式:P(O2)=0.21atm時(shí)，Mn和Fe部分以+2和+3價(jià)離子（團(tuán)）的形式存在于熔渣中，部分被渣蝕反應(yīng)生成的尖晶石固溶。熔渣侵蝕輕量Al2O3-MgO澆注料后生成相主要為MgAl2O4固

8、溶體，MnFe2O4固溶體以及CA6，由于渣中游離Fe，Mn離子大量減少，熔渣粘度上升后滲透能力減弱;P(Ar)=1.0atm時(shí)，渣中鐵離子被還原成單質(zhì)Fe導(dǎo)致熔渣液相量減少，對(duì)材料的侵蝕減輕，渣蝕反應(yīng)產(chǎn)物主要為MgAl2O4和CA6。
　　(5)適量SrO(SrO/(SrO+CaO)(mol)≤0.32）取代三元系A(chǔ)l2O3-CaO-SiO2精煉渣中的CaO可在基本不影響熔渣粘度的情況下降低其液相線溫度。渣中Sr部分取代Ca形成

9、(Ca，Sr)7Mg(SiO4)4，當(dāng)原料中SrO加入量為SrO/(SrO+CaO)(mol)=0.16、0.32和0.48時(shí)，(Ca，Sr)7Mg(SiO4)4相中Sr/Ca原子比分別為0.2、約0.5和約1.0。SrO能加快Al2O3-CaO-SiO2精煉渣與澆注料反應(yīng)后在界面位置生成(Ca，Sr)Al12O19和Al10.1Mg0.91O17Sr0.92高熔點(diǎn)相的結(jié)晶速率，進(jìn)而起到隔離熔渣進(jìn)一步侵蝕的作用。
　　(6)基于水

10、平集兩相流模型，通過耦合熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合自定義UDF模型同步耦合傳熱、化學(xué)反應(yīng)等過程，建立了完整的熔渣侵蝕輕量Al2O3-MgO澆注料數(shù)學(xué)模型。采用數(shù)值模擬方法計(jì)算得到的熔渣侵蝕面積遠(yuǎn)小于滲透面積，渣蝕反應(yīng)產(chǎn)物為CA2和CA6，其中CA2主要出現(xiàn)在基質(zhì)部位，而在骨料處含量極低，CA6則僅僅只存在于被侵蝕的骨料位置。計(jì)算得到的各渣蝕產(chǎn)物分布聚集特征與實(shí)際條件下同等組份熔渣侵蝕輕量Al2O3-MgO澆注料實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了該模型的正