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MgO基和A12O3基耐火材料对钢中夹杂物的影响­

  • 发布人:管理员
  • 发布时间:2013-09-11
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    陶绍平1,2,钟香崇1­

  (1.郑州大学高温材料研究所,河南郑州450052; 2首钢技术研究院,北京100041)­

摘 要:利用大样电解、图像分析、扫描电镜和能谱分析等检测手段研究了82B钢种选用A12O3-MgO, MgO-A12O3­和MgO-CaO炉衬在1450℃保持80 min后生成的夹杂物种类和变化。结果表明,采用A12O3-MgO作内衬时冶炼­后钢中夹杂物的数量增加了近50%,夹杂物的尺寸大(100 ~900μm)且硬度很高,夹杂物的主要成分为SiO2和­Al2O3;以MgO- Al2O3作内衬时夹杂物数量略有降低(30%),尺寸(80 ~450μm))和硬度相对较小,其主要成分为­SiO2 , MnO,CaO和MgO;而MgO-CaO材料对去除钢中夹杂物(降低70%)和降低其尺寸(30 ~350μm)有明显效­果,且夹杂物的硬度很小,其主要成分为CaO, Al2O3 , SiO2和FeO。采用MgO-CaO材料时夹杂物的尺寸最小、数­量最少,对钢水洁净度的贡献最大。

­关键词:夹杂物;耐火材料;氧化钙

中图分类号:TF777                    文献标识码:A                       文章编号:0449-749X(2007)05-0033-04­

冶金生产过程中耐火材料对钢水质量有着重­要影响,包括对钢水洁净度、夹杂物种类和数量、钢­种成分控制等方面。以前对于冶金过程的研究偏向­于钢一渣之间的反应,而实际上渣、钢液、耐火材料的­三者体系是一个多项反应的藕合,不仅耐火材料和­炉渣对钢液有影响,耐火材料通过与钢液作用生成­夹杂从而改变炉渣成分再进而影响钢液也是多相反­应的一种方式。耐火材料对钢水质量产生影响的过­程,也是耐火材料本身受化学侵蚀、机械碰撞及热应­力作用的过程。­

目前,碱性氧化物对提高钢水的净化作用[1]日益得到重视,而MgO-CaO质材料中游离Ca0对钢­水有净化作用图,本次试验在冶炼82B钢种时分别­采用Al2O3-MgO,MgO-Al2O3和MgO-CaO系列材­料,利用大样电解、图像分析、扫描电镜和能谱分析­等手段对过程试样进行分析,研究了不同材质耐火­材料对钢中夹杂物的影响。

1试验设计­

试验采用Consarc. Co. VIM中频感应炉,不­同MgO基和Al2O3基内衬材料对选定钢种(82B,­化学成分见表1)进行二次冶炼,试验时每炉实际装料量为28 kg, Al脱氧,熔炼时间为80 min,出钢温­度控制在1430~1450 ℃,使用的炉衬材质分别为­Al2O3-MgO, MgO- Al2O3和MgO-CaO系列材料­(化学成分见表2)。试验用合成渣成分为ω( SiO2 )­10. 49 %,ω(Al2O3)2. 43 %,ω(TFe) 1.22%,ω­(Ca0) 35. 46%,ω(MgO) 3.71%,ω(P) 0.007%,­ω(S ) 0. 005%,ω(MnO)0. 005%,ω(fCaO)­30. 90 %。冶炼过程中每隔20 min取一次钢样,并­对选用不同炉衬材料时,不同时间所取钢样进行图­像分析和大样电解试验。­

首先,对所取钢样进行图像分析。采用日本­NIRELO公司LUZEX-F图像分析仪对不同炉衬­材料试验时分时间所取钢样进行图像分析,主要测­量第一相的面积百分数(钢样),第二相粒子(钢中夹杂物)的个数、面积百分数、大小、尺寸分布和投影长­度等参数,并通过采用不同炉衬材料时夹杂物数据­的不同变化趋势,分析炉衬材料对钢水清洁度的影­响。­

同时,通过电化学反应溶解阳极试样的基体,得­到所需要的夹杂物颗粒,提取出夹杂物后,将从钢中­萃取出来的夹杂物单层地放置在一抛光的金属平面­上,采用LEO-1450型扫描电子显微镜,配加­KEVEX sigma能谱分析系统,研究试样中各种夹­杂物的立体形貌、表面特征和元素分布。然后把夹­杂物单层地镶置起来,并磨抛成金相样品,用SEM­分析钢中夹杂物成分、形貌、数量、分布和大小,用­XRD确定夹杂种类,并进行结构分析。

­2试验结果与讨论

­2.1图像分析­

采用Al2O3-MgO, MgO- Al2O3和MgO-CaO30炉衬材料的图像分析数据见表3~5。

­从表3可以看出,二次冶炼完成后虽然夹杂物­的面积比略有降低(0. 041 ~0. 035 ),但钢中夹杂物­个数由冶炼前的105增加到152,且最大尺寸夹杂­物在冶炼过程中也出现了明显的起伏。表明冶炼初­期,Al2O3-MgO材料与82B钢水接触时发生熔损,其­反应产物随后进人钢中,使钢中大颗粒夹杂物的临界­粒度从2. 849 74μm迅速提高到1. 528 50 × 10μm,夹杂­面积比也由0. 041猛增至0. 135;此后,钢中夹杂物部­分上浮至渣中或附着在炉衬表面,夹杂物数量和夹杂物面积比下降。但随着炉衬材料的逐步侵蚀和熔­损,夹杂物数量大幅增加,根据光学显微镜的观察,­并以不同灰度级别来区别被测相,表明增加的夹杂­物以Al2O3和SiO2为主,即与炉衬材料有关。­

采用MgO-Al2O3炉衬材料时,冶炼前后夹杂­物数量一直呈下降趋势,由开始的132下降到97,­夹杂面积比也由0.046降至0.031,分别降低了­26.5%和32.6%。

­以MgO为主的碱性炉衬材料,在与熔融金属­接触并发生熔损和反应后,钢中夹杂物数量和尺寸­没有增加,表明MgO质碱性材料在某种意义上对­钢水没有“污染”。­

从表5可以看出,当炉衬材料选用MgO—CaO­系列材质时(以MgO-CaO 30为例)钢中夹杂物数­量由262直降到79,下降幅度达到近70%,夹杂面­积比降低30%。

­从表3~5的数据中可以看出,不同材质炉衬材­料对钢中夹杂物的影响可以排列为Al2O3-MgO<­MgO-Al2O3

另外,大颗粒夹杂的去除比例明显高于小夹杂,­而相对于小夹杂,大颗粒夹杂是使钢质量及性能恶­化的主要因素之一。

­2.2大样电解­

为了解钢中夹杂物的真实形貌、尺寸及物相结­构,探索夹杂物的可能来源,试验采用大样电解的方­法提取钢种原始状态的大颗粒夹杂。

大样电解法是利用钢基体和夹杂物的电化学性­质不同,选择合适的电解液和外加电源,使试样受到­适当程度的极化,钢基体处于活化或钝化状态而被­电离。在电场的作用下,铁在阴极沉积下来,而夹杂­物由于是非导体化合物,故不电离而以不溶性残渣形式留在阳极残渣中。试验时以试样作为阳极进行­电解,通过电化学反应溶解阳极试样的基体,将试样­中的夹杂物作为残渣留下,并经过淘洗分离碳化物­(粒径小于10×10-6m的碳化物)、磁选还原和分级­称重后得到所需要的夹杂物颗粒,它是从钢中提取­夹杂物的重要方法,它可以在较大的范围内测定夹­杂物含量。本次试验用电解液为:ω(FeSO4)4%,­ω(FeCl2)6%,ω(ZnCl2)5%,ω(HCl)0.3%。电­解过程中的反应:

  ­阳极 主反应 Fe0–2e→Fe2  

副反应 2H2O – 4e→4H++O2↑­

  阴极 主反应Fe2++2e→Fe↓­

  副反应 4H++4e→2H2­

大样电解法的特点:①试样大、电解时间长。试­样尺寸为Φ60 mm×150 mm,电解时间20~25 d;②­使用物理方法分离电解后残留的阳极泥,用淘洗法­把碳化物淘洗掉,将大颗粒夹杂和铁的氧化物留下,­最后用磁选还原,把夹杂物分离出来;③可按夹杂物­的粒径大小进行分级。试验装置的示意图见图1。

(1)A12O3-MgO基炉衬与夹杂物­

从对使用Al2O3-MgO炉衬时分不同时间所取­试样的大样电解结果看,提取的夹杂颗粒尺寸在­100~900μm,存在两种类型夹杂。­

能谱数据中显示夹杂物基体为Si02-AIZ 03,主­要析出相则为石英类,硬度高,夹杂尺寸较大。­

(2) MgO-A12O3炉衬材质与夹杂物­

大样电解提取的夹杂颗粒尺寸在80~450μm,­并选取4个夹杂颗粒进行了电镜分析。­ 夹杂物基体为SiO2-MnO-CaO-MgO系,析出­相为榴石类,硬度较石英相和刚玉低,塑性相对较­好,夹杂尺寸较使用A12O3-MgO炉衬小。通过能­谱分析检测到的夹杂物成分包括SiO2 , CaO, Al2O3­及其复杂化合物。­

(3) MgO-CaO系列炉衬材质与夹杂物­

试验采用的MgO-CaO材料中ω(CaO)为10%­~40%,随着ω ( CaO)的增加夹杂数量和尺寸呈递­减趋势,在此以MgO-CaO30为代表进行分析说­明。从 MgO-CaO 30试样中提取的夹杂颗粒尺寸­在30~350μm,取4个夹杂颗粒进行电镜分析。­

夹杂物基体为CaO-Al2O3-SiO2-FeO系,基体­Al2O3含量较MgO-Al2O3和A12O3-MgO炉衬材质­低且硬度低,塑性相对较好,夹杂数量少且尺寸趋于­减小。­

从表6中3种不同材料夹杂物的比较可以看出,采用Mg0-Ca0系列炉衬材料时,钢中夹杂物的­尺寸小、基体塑性好,在压力下具有较好的变形能­力,可降低夹杂物对钢质量的不利影响。

­3结论­

(1)从对钢水洁净度的影响方面看MgO-CaO­> MgO-Al2O3 > Al2O3-MgO。根据图像分析,­Al2O3-MgO材料对去除钢中夹杂物没有作用,­MgOAl2O3材料则有一定作用,MgO-CaO材料有­明显的作用,而且ω(GaO)越高作用越明显,试验条­件下ω(CaO)为30%时作用最明显。­

(2)根据大样电解结果,采用Al2 03-Mg0耐火­材料时夹杂物基体为SiO2-Al2O3,析出相为石英­类,硬度高,夹杂尺寸较大;MgO-Al2O3耐火材料的­夹杂物基体为SiO2-MnO-CaO-MgO,析出相为榴石­类,硬度较石英相和刚玉低,塑性相对较好,夹杂尺­寸较小;MgO-CaO 30夹杂物基体为CaO-Al2O3-­SiO2-FeO系,塑性相对最好,夹杂数量和尺寸最小。­

 

中国镁质材料网 采编:ZY

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