耐火材料在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用及與鐵水之間的作用

耐火材料在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用

1、硅酸鋁質(zhì)材料。

如粘土磚、高鋁磚、半硅磚、剛玉磚等。這類材質(zhì)以氧化鋁和氧化硅為基本化學(xué)組成，通常根據(jù)制品中氧化鋁和氧化硅含量進行分類：當(dāng)氧化鋁低，而氧化硅大于93％時，為硅質(zhì)制品如硅磚；而氧化鋁含量高于90％時則為剛玉材料，常見的熱電偶保護管即是此類材料的制品；氧化鋁含量為15～30％的是半硅磚，很多天然材料屬此類，它雖沒有很高的耐火度，但熱穩(wěn)定性和抗渣性好；氧化鋁量再高為粘土質(zhì)，我國習(xí)慣把氧化鋁含量超過48%的稱為高鋁磚。在氧化鋁量不超過72％時，1450℃就開始有液相產(chǎn)生，而且在粘土中還會有1～3％的低熔物如Na、K、Fe等的鹽類，高鋁磚的荷重軟化溫度通常只有1300～1350。C左右。在高鋁磚部分有一良好的礦物莫來石(即3Al2O3?2SiO2)，含氧化鋁71.8％，理論荷重軟化溫度可達1810℃，而且高溫性能良好。實際上我國一、二級高鋁磚(Al2O3=65～80％)，荷重軟化溫度為1500～1600℃。這類材料達到1540℃或更低溫度時會開始產(chǎn)生液相，此時由于液相粘、不易擴散，因此有少量的液相，并無大害。反之，液相如網(wǎng)狀在晶界上長成，無結(jié)晶骨架，就不是好的耐火磚了(。當(dāng)然，高鋁磚的質(zhì)量主要取決于是否有豐富的低堿粘土或高嶺土資源，高鋁磚的原料都是屬硅線石類礦物(A12O3·SiO2)。有些耐火材料廠常用原料來命名磚，如藍晶石、紅柱石等，人造原料方面有工業(yè)氧化鋁、電熔剛玉等。

2、硅質(zhì)材料。

硅磚在600℃以上具有好的高溫性能，但在低溫時，由于晶型轉(zhuǎn)化伴隨著體積的巨大變化而崩裂，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溫?zé)捊範t。近年來高爐風(fēng)溫提到1200℃以上，熱風(fēng)爐頂溫升到1500～1550℃，熱風(fēng)爐作業(yè)中幾乎沒有把頂溫降到800℃以下的，因此大量使用硅磚代替高鋁磚砌筑熱風(fēng)爐拱頂和上部格子磚。硅磚有高的荷重軟化溫度，還有高的抗蠕變性能，在價格上卻遠低于合成莫來石磚，它含SiO2在95％以上，但仍有一定抗CaO和FeO等的渣化能力。

3、鎂質(zhì)材料。

鎂磚含氧化鎂85～90％，有高的耐火度(2000℃)，屬堿性材料，是煉鋼生產(chǎn)不可缺少的耐火材料。其主要問題是抗熱震性能差，易剝蝕，常用加入CaCO3和Al2O3等方法來改善其性能。當(dāng)今轉(zhuǎn)爐壽命的延長，主要是使用高純和高碳含量的材料(鎂碳磚)。以提高其耐侵蝕性能。

4、絕熱材料。

其特點是依靠空氣不能流動的微孔起絕熱作用。這類材料體積密度小，導(dǎo)熱系數(shù)低(一般小于0.30W／(m·K))，常用來降低砌體熱量損失，減少燃料消耗，提高經(jīng)濟效果。這種材料有磚、散狀料和氈。目前制造良好的高鋁纖維氈體積密度為320kg／m3，長期使用溫度為1200℃，1000℃以下導(dǎo)熱系數(shù)為0.09W／(m·K)左右。

5、碳與碳化硅材料。

這類材料不僅自身能耐高溫(特別是碳)，而且都有良好的導(dǎo)熱性、體積穩(wěn)定性和抗渣性。碳磚的大缺點是在氧化性氣氛中會產(chǎn)生強烈氧化，所以應(yīng)在還原性氣氛或保護氣氛里使用，主要用于砌筑高爐爐底和爐體。碳化硅磚價格昂貴，主要用于某些特殊熱設(shè)備上，如電阻爐的發(fā)熱體等。為延長高爐壽命，近年在高爐爐身中下部位使用，并獲得良好效果。            

耐火材料與鋼水之間的作用

鋼水與耐火材料之間的作用包括以下幾個方面：由于鋼水的沖刷、剝落造成耐火材料整塊的落入熔鋼中，形成尺寸較大的外來夾雜，這一過程為物理過程。耐火材料的組成元素溶解到熔融鋼鐵中，包括耐火材料的構(gòu)成氧化物或氮化物、碳及各種結(jié)合劑與添加劑。這些元素溶入到鋼鐵中改變鋼的組成，特別對純凈鋼及超純凈鋼的質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，這一過程為物理化學(xué)過程。此外，耐火材料，特別是耐火材料與熔融鋼鐵界面上形成的液相可以吸附鋼中的夾雜，從而提高鋼的質(zhì)量。今天河南耐火材料廠僅討論鋼水與耐火材料反應(yīng)的物理化學(xué)過程。高溫下耐火材料與熔融鋼鐵之間的反應(yīng)模型可以用下圖來表示。當(dāng)隔離層由高純度、高熔點的物質(zhì)構(gòu)成時，在使用條件下仍以固態(tài)存在。在這種情況下，耐火材料與熔融鋼鐵之間的反應(yīng)分為兩種類型：（1）反應(yīng)產(chǎn)物在耐火材料顆粒表面形成一個固相產(chǎn)物層。耐火材料的構(gòu)成元素需要擴散通過這一產(chǎn)物層才能溶入熔融鋼鐵中。固相中的擴散速度很慢，因而耐火材料的溶解速度會大大減慢。（2）熔融鋼鐵通過耐火材料中的氣孔滲透到耐火材料的內(nèi)部與尚未生成產(chǎn)物層的“新鮮”耐火材料反應(yīng)。由于熔融鋼鐵的滲透受其對耐火材料潤濕能力及氣孔孔徑等諸條因素的影響，也會使耐火材料向熔融鋼鐵溶解速度減小。如果邊界層是低熔點物質(zhì)，在高溫下它轉(zhuǎn)化為液相。此液相一旦形成就會將耐火材料與熔融鋼鐵隔開，阻止了耐火材料向熔融鋼鐵中的直接溶解。因為，此液相是由各種氧化物構(gòu)成的熔體，融鋼鐵中的直接溶解。因為，此液相是由各種氧化物構(gòu)成的熔體，它具有離子結(jié)構(gòu)，即是由金屬陽離子、氧離子及它們的離子團構(gòu)成。如前所述，熔融鋼鐵屬金屬結(jié)構(gòu)，根據(jù)冶金物理化學(xué)的基本原理，這兩種熔體是不能互溶的。在這種情況下，這一邊界層就變成了隔離層，它將耐火材料與熔融金屬隔離，使它們的直接反應(yīng)停止。這時耐火材料與熔融鋼鐵中的傳質(zhì)過程包括如下幾個部分：（1）在耐火材料與液相隔離層界面上，耐火材料與液相之間發(fā)生的界面反應(yīng)。耐火材料與液相的組成、溫度對此界面反應(yīng)有很大影響。（2）反應(yīng)產(chǎn)物由耐火材料與液相隔離層的界面向液相與熔融鋼鐵與隔離層的界面擴散。（3）熔融鋼鐵與液相隔離層之間的界面反應(yīng)。（4）界面反應(yīng)產(chǎn)物沿耐火材料中的液相向耐火材料內(nèi)部擴散以及向熔融金屬內(nèi)部擴散。

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