镁钙耐火材料对钢水的净化作用
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- 发布时间：2013-07-15
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王学达1) 陈树江2) 张红鹰2) 孙加林1) 洪彦若1)
1)北京科技大学材料科学与工程学院 北京100083
2)鞍山科技大学材料科学与工程学院
摘 要 研究了不同CaO含量的镁钙耐火材料与AR0l6钢水之间的作用。利用岩相、真空直读光谱分析仪、扫描电镜能谱等手段对镁钙耐火材料与钢水作用前后钢水和耐火材料的成分变化以及耐火材料的显微结构变化进行了研究。研究结果表明：镁钙耐火材料在1600℃下与AR0l6钢发生作用后生成了新相;CaO含量大于30%的镁钙耐火材料与钢水作用60min时脱S效果最佳;在本实验条件下，作用30min可使钢中Al降到较低;增加镁钙耐火材料中的CaO含量可进一步降低钢中S和Al。
关键词 氧化钙，镁钙耐火材料，钢水净化，洁净钢，脱硫
夹杂的存在对钢材质量影响较大[1-4]。2l世纪，特种钢和洁净钢将得到广泛应用，钢铁工业的发展目标仍然是增加钢材品种，提高钢材质量。要提高钢材质量，必须提高钢水纯度。以前只注重从炼钢工艺角度研究如何提高钢的纯度，没有考虑与钢水接触的耐火材料的影响[5,6]。耐火材料在高温下与钢水直接接触，对钢水会或多或少地产生污染。有关钢水和耐火材料之间相互作用的机理尚不十分清楚。本工作重点研究了MgO—CaO系耐火材料与钢水作用后钢水和耐火材料的成分变化以及耐火材料的显微结构变化，探讨了耐火材料对钢水的净化作用。
1实验
按设计的配方将镁钙砂、镁砂和结合剂充分混匀，压制成ca0质量分数分别为10%、20%、30%、40%、50%的坩埚，于1600℃保温3 h烧成。
实验用钢为AR016钢，钢中C、Si、Mn、P、S、Alt(全铝)和Als(酸熔铝)的质量分数(%)分别为0.058、0.010、0.326、0.012、0.017、0.035和0.032。
将镁钙坩埚放入高温管式炉中预热到1100℃，把实验钢样放人坩埚中，同时通Ar保护，升温到1600℃时保温并开始计时，达到预定时间(分别为30min、60min、90 min、120 min)后将装有钢水的坩埚放人油中淬冷，然后对钢样和坩埚的成分以及坩埚的显微结构进行分析。
2 实验结果及分析
2.1处理时间对钢中s含量的影响
AR0l6钢在含CaO40%的镁钙坩埚中处理不同时间后的S的含量见图1。可以看出，镁钙材料能有效地吸附钢水中的硫。随着处理时间的延长，存在下列脱硫反应：
(CaO)+[S]=(CaS+[O] (1)
使钢中的S随时间延长而降低，反应60min时达平衡，钢中S最低。随处理时间的进一步延长，由于保护气体Ar气不纯，带进O2，则有：
1/2O2=[O] (2)
随着时间的延长，[O]的活度进一步增大，从而阻碍了反应(1)的进一步进行，使反应朝逆向进行，使钢中的[S]上升[7]。
2.2镁钙材料中CaO含量对钢中S含量的影响
在CaO含量不同的镁钙坩埚中处理60min后，AR016钢的S含量见图2。可以看出，随着镁钙坩埚中CaO含量的增加，AR016钢的硫含量不断下降。
2.3处理时间对钢中Al含量的影响
在含40%CaO的镁钙坩埚中处理不同时间后，AR016钢的Al含量见图3。可以看出：处理时间对钢中Al含量的影响开始比较明显，超过30min以后则不明显。这是因为，30min后AR016钢的Al含量已经降得很低，再延长时间也不会使其Al含量有大的降低。
2.4镁钙材料中CaO含量对钢中Al含量的影响
在CaO含量不同的镁钙坩埚中处理30min后，AR0l6钢的Al含量见图4。
可以看出，随着镁钙坩埚中CaO含量的增加。R0l6钢的Al含量不断下降，但当CaO含量超过30%后下降不明显。因为在本实验条件下，30%的CaO含量已经接近反应平衡所需的CaO。
2.5岩相分析
将与AR016钢反应90min后的镁钙耐火材料制成岩相片进行显微结构分析，发现在靠近工作面一侧出现了与原砖不同的一层反应层(经测量，其厚度约为60μm)，其中比较亮的部分就是反应生成的新相(见图5)。而原砖中骨料和基质紧密结合，没有新相生成(见图6)。这说明，镁钙材料和钢水之间发生了一定的物理化学反应。
2.6扫描电镜能谱分析
在电镜下分析CaO含量40%的镁钙耐火材料与AR016钢水反应90 min后的反应层，考察反应层中各成分的变化。测得反应层厚度大约为60μm，用宽为10μm脚的长方形做面扫描，从工作面向原砖层一侧连扫五次，结果见图7。可以看出：在镁钙坩埚的反应层中，Al、S的含量沿工作面到原砖的方向逐渐减少，说明镁钙耐火材料与钢水发生作用，即当钢中的元素扩散到耐火材料表面时反应开始进行，反应产物留在耐火材料表面;随着时间的延长，钢中的元素向耐火材料内部扩散，反应继续进行。但扩散到内部的元素毕竟是少数，在耐火材料内部生成的新相也少，这样反应生成的新相大部分集中在耐火材料表面，就使得耐火材料表面所含钢中元素含量较多。
