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)量受到嚴重影響。微孔骨料具有大量微細氣孔，導(dǎo)熱系數(shù)小，抗熱震性好，被認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澆注料為研究對象，首先建立了澆注料

2、基質(zhì)顆粒緊密堆積模型，對基質(zhì)的粒徑分布進行設(shè)計，并采用實驗對比不同基質(zhì)粒徑分布下輕量Al2O3-MgO澆注料的性能變化;基于感應(yīng)爐動態(tài)抗渣，研究不同顯微結(jié)構(gòu)特征的輕量剛玉對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)模型并進行渣蝕模擬，對相關(guān)計算與實驗結(jié)果進行比較。研究得到如下主要結(jié)論:
　　(1)對于輕量Al2O3-MgO澆注料，其基質(zhì)顆粒緊密堆積所對應(yīng)的q值與普通澆注料有所不同，q值以0.28左右為宜，此時試樣具有最佳的綜合性能。q值為0.25時，由于試樣基質(zhì)內(nèi)微粉量較多，燒結(jié)時晶界移動快，晶粒較大，抗渣侵蝕性能好，但基質(zhì)同時發(fā)生較大收縮并在部分區(qū)域與骨料脫離，對材料的顯微結(jié)構(gòu)不利，導(dǎo)致抗渣滲透性能下降。熔渣侵蝕時，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散邊界層厚度影響骨料在渣中的溶解速率。三者對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，其

5、在渣中溶解速率最慢，抗渣侵蝕性最好。
　　(3)動態(tài)渣蝕條件下，對于不同組份體系的熔渣，熱力學(xué)因素對于抗渣侵蝕效果起主導(dǎo)作用;其中，Al2O3-CaO-SiO2渣對輕量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，侵蝕程度最嚴重;Al2O3-CaO渣和Al2O3-CaO-SiO2-MgO渣與澆注料接觸時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。對于Ca/S1分別為0.42、

6、0.84和1.12的Al2O3-CaO-SiO2渣，Marangoni對流導(dǎo)致的動力學(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對流侵蝕程度較為顯著，同時熱力學(xué)侵蝕較為明顯，總體對澆注料的侵蝕最嚴重。Ca/Si=1.12渣的Marangoni對流程度與Ca/Si=0.84渣接近，但熱力學(xué)侵蝕較輕，對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對流程度最輕，

7、總體侵蝕最小。
　　(4)轉(zhuǎn)爐渣對輕量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離子如Fe，Mn的價態(tài)及存在形式:P(O2)=0.21atm時，Mn和Fe部分以+2和+3價離子（團）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，渣中鐵離子被還原成單質(zhì)Fe導(dǎo)致熔渣液相量減少，對材料的侵蝕減輕，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，(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高熔點相的結(jié)晶速率，進而起到隔離熔渣進一步侵蝕的作用。
　　(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，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)值模擬方法計算得到的熔渣侵蝕面積遠小于滲透面積，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。計算得到的各渣蝕產(chǎn)物分布聚集特征與實際條件下同等組份熔渣侵蝕輕量Al2O3-MgO澆注料實驗結(jié)果基本一致，驗證了該模型的正