耐火材料在钢铁行业的应用及与铁水之间的作用

耐火材料在钢铁行业的应用

1、硅酸铝质材料。

如粘土砖、高铝砖、半硅砖、刚玉砖等。这类材质以氧化铝和氧化硅为基本化学组成，通常根据制品中氧化铝和氧化硅含量进行分类：当氧化铝低，而氧化硅大于93％时，为硅质制品如硅砖；而氧化铝含量高于90％时则为刚玉材料，常见的热电偶保护管即是此类材料的制品；氧化铝含量为15～30％的是半硅砖，很多天然材料属此类，它虽没有很高的耐火度，但热稳定性和抗渣性好；氧化铝量再高为粘土质，我国习惯把氧化铝含量超过48%的称为高铝砖。在氧化铝量不超过72％时，1450℃就开始有液相产生，而且在粘土中还会有1～3％的低熔物如Na、K、Fe等的盐类，高铝砖的荷重软化温度通常只有1300～1350。C左右。在高铝砖部分有一良好的矿物莫来石(即3Al2O3?2SiO2)，含氧化铝71.8％，理论荷重软化温度可达1810℃，而且高温性能良好。实际上我国一、二级高铝砖(Al2O3=65～80％)，荷重软化温度为1500～1600℃。这类材料达到1540℃或更低温度时会开始产生液相，此时由于液相粘、不易扩散，因此有少量的液相，并无大害。反之，液相如网状在晶界上长成，无结晶骨架，就不是好的耐火砖了(。当然，高铝砖的质量主要取决于是否有丰富的低碱粘土或高岭土资源，高铝砖的原料都是属硅线石类矿物(A12O3·SiO2)。有些耐火材料厂常用原料来命名砖，如蓝晶石、红柱石等，人造原料方面有工业氧化铝、电熔刚玉等。

2、硅质材料。

硅砖在600℃以上具有好的高温性能，但在低温时，由于晶型转化伴随着体积的巨大变化而崩裂，因而在600℃以下抗震性能差，使用受到限制，目前主要用于砌筑高温炼焦炉。近年来高炉风温提到1200℃以上，热风炉顶温升到1500～1550℃，热风炉作业中几乎没有把顶温降到800℃以下的，因此大量使用硅砖代替高铝砖砌筑热风炉拱顶和上部格子砖。硅砖有高的荷重软化温度，还有高的抗蠕变性能，在价格上却远低于合成莫来石砖，它含SiO2在95％以上，但仍有一定抗CaO和FeO等的渣化能力。

3、镁质材料。

镁砖含氧化镁85～90％，有高的耐火度(2000℃)，属碱性材料，是炼钢生产不可缺少的耐火材料。其主要问题是抗热震性能差，易剥蚀，常用加入CaCO3和Al2O3等方法来改善其性能。当今转炉寿命的延长，主要是使用高纯和高碳含量的材料(镁碳砖)。以提高其耐侵蚀性能。

4、绝热材料。

其特点是依靠空气不能流动的微孔起绝热作用。这类材料体积密度小，导热系数低(一般小于0.30W／(m·K))，常用来降低砌体热量损失，减少燃料消耗，提高经济效果。这种材料有砖、散状料和毡。目前制造良好的高铝纤维毡体积密度为320kg／m3，长期使用温度为1200℃，1000℃以下导热系数为0.09W／(m·K)左右。

5、碳与碳化硅材料。

这类材料不仅自身能耐高温(特别是碳)，而且都有良好的导热性、体积稳定性和抗渣性。碳砖的大缺点是在氧化性气氛中会产生强烈氧化，所以应在还原性气氛或保护气氛里使用，主要用于砌筑高炉炉底和炉体。碳化硅砖价格昂贵，主要用于某些特殊热设备上，如电阻炉的发热体等。为延长高炉寿命，近年在高炉炉身中下部位使用，并获得良好效果。            

耐火材料与钢水之间的作用

钢水与耐火材料之间的作用包括以下几个方面：由于钢水的冲刷、剥落造成耐火材料整块的落入熔钢中，形成尺寸较大的外来夹杂，这一过程为物理过程。耐火材料的组成元素溶解到熔融钢铁中，包括耐火材料的构成氧化物或氮化物、碳及各种结合剂与添加剂。这些元素溶入到钢铁中改变钢的组成，特别对纯净钢及超纯净钢的质量产生较大影响，这一过程为物理化学过程。此外，耐火材料，特别是耐火材料与熔融钢铁界面上形成的液相可以吸附钢中的夹杂，从而提高钢的质量。今天河南耐火材料厂仅讨论钢水与耐火材料反应的物理化学过程。高温下耐火材料与熔融钢铁之间的反应模型可以用下图来表示。当隔离层由高纯度、高熔点的物质构成时，在使用条件下仍以固态存在。在这种情况下，耐火材料与熔融钢铁之间的反应分为两种类型：（1）反应产物在耐火材料颗粒表面形成一个固相产物层。耐火材料的构成元素需要扩散通过这一产物层才能溶入熔融钢铁中。固相中的扩散速度很慢，因而耐火材料的溶解速度会大大减慢。（2）熔融钢铁通过耐火材料中的气孔渗透到耐火材料的内部与尚未生成产物层的“新鲜”耐火材料反应。由于熔融钢铁的渗透受其对耐火材料润湿能力及气孔孔径等诸条因素的影响，也会使耐火材料向熔融钢铁溶解速度减小。如果边界层是低熔点物质，在高温下它转化为液相。此液相一旦形成就会将耐火材料与熔融钢铁隔开，阻止了耐火材料向熔融钢铁中的直接溶解。因为，此液相是由各种氧化物构成的熔体，融钢铁中的直接溶解。因为，此液相是由各种氧化物构成的熔体，它具有离子结构，即是由金属阳离子、氧离子及它们的离子团构成。如前所述，熔融钢铁属金属结构，根据冶金物理化学的基本原理，这两种熔体是不能互溶的。在这种情况下，这一边界层就变成了隔离层，它将耐火材料与熔融金属隔离，使它们的直接反应停止。这时耐火材料与熔融钢铁中的传质过程包括如下几个部分：（1）在耐火材料与液相隔离层界面上，耐火材料与液相之间发生的界面反应。耐火材料与液相的组成、温度对此界面反应有很大影响。（2）反应产物由耐火材料与液相隔离层的界面向液相与熔融钢铁与隔离层的界面扩散。（3）熔融钢铁与液相隔离层之间的界面反应。（4）界面反应产物沿耐火材料中的液相向耐火材料内部扩散以及向熔融金属内部扩散。

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