轻量Al2O3-MgO浇注料抗渣性能研究

摘要

钢包作为冶金工业必不可少的承接、运输以及精炼钢水的设备，其内衬耐火材料热导率大易于引起钢水降温，同时由于复杂的服役条件导致内衬材料剥落频繁，钢中夹杂物增多，钢材质量受到严重影响。微孔骨料具有大量微细气孔，导热系数小，抗热震性好，被认为有望克服上述问题，然而，其能否成功应用于精炼钢包内衬的关键在于采用微孔骨料制备的浇注料的抗渣性能。
　　本文基于骨料微孔化、基质紧密化的思想，以轻量Al2O3-MgO浇注料为研究对象，首先建立了浇注料基质颗粒紧密堆积模型，对基质的粒径分布进行设计，并采用实验对比不同基质粒径分布下轻量Al2O3-MgO浇注料的性能变化;基于感应炉动态抗渣，研究不同显微结构特征的轻量刚玉对浇注料抗渣性能的作用;然后，研究轻量Al2O3-MgO浇注料抵抗不同组分体系、碱度以及气氛条件的熔渣渣蚀行为，通过添加SrO调控三元系Al2O3-CaO-SiO2精炼渣的物化性能，分析SrO对精炼渣渣蚀行为的影响。最后，采用数值模拟方法，建立轻量Al2O3-MgO浇注料的熔渣侵蚀数学模型并进行渣蚀模拟，对相关计算与实验结果进行比较。研究得到如下主要结论:
　　(1)对于轻量Al2O3-MgO浇注料，其基质颗粒紧密堆积所对应的q值与普通浇注料有所不同，q值以0.28左右为宜，此时试样具有最佳的综合性能。q值为0.25时，由于试样基质内微粉量较多，烧结时晶界移动快，晶粒较大，抗渣侵蚀性能好，但基质同时发生较大收缩并在部分区域与骨料脱离，对材料的显微结构不利，导致抗渣渗透性能下降。熔渣侵蚀时，具有小孔径、大晶粒的基质能在渣-基质界面处形成致密CA6层，起到延缓熔渣侵蚀的作用。
　　(2)动态渣蚀条件下，骨料微结构参数（如晶粒大小dp、球形度as以及显气孔率ε）通过改变骨料与熔渣的接触界面面积以及骨料在渣中溶解的扩散边界层厚度影响骨料在渣中的溶解速率。三者对浇注料抗渣蚀性能的综合影响可以定义为“材料显微结构决定的抗渣溶解侵蚀因子Rm”，且有1/Rm=1-ε/dp1.5·as0.534。骨料显微结构中具有堆叠的大鳞片状晶粒时，其在渣中溶解速率最慢，抗渣侵蚀性最好。
　　(3)动态渣蚀条件下，对于不同组份体系的熔渣，热力学因素对于抗渣侵蚀效果起主导作用;其中，Al2O3-CaO-SiO2渣对轻量Al2O3-MgO浇注料的侵蚀导致试样骨料和基质在渣中的直接溶解，侵蚀程度最严重;Al2O3-CaO渣和Al2O3-CaO-SiO2-MgO渣与浇注料接触时在界面分别形成了以CA6和方镁石为主要物相的隔离层，侵蚀变为间接溶解，程度较轻。对于Ca/S1分别为0.42、0.84和1.12的Al2O3-CaO-SiO2渣，Marangoni对流导致的动力学侵蚀相较热力学因素占据主导。其中，Ca/Si=0.84渣由于Marangoni对流侵蚀程度较为显著，同时热力学侵蚀较为明显，总体对浇注料的侵蚀最严重。Ca/Si=1.12渣的Marangoni对流程度与Ca/Si=0.84渣接近，但热力学侵蚀较轻，对浇注料的侵蚀程度略弱;Ca/Si=0.42渣虽然热力学侵蚀较明显，但由于Marangoni对流程度最轻，总体侵蚀最小。
　　(4)转炉渣对轻量Al2O3-MgO浇注料的侵蚀行为与环境气氛密切相关，相比P(O2)=0.21atm气氛，P(Ar)=1.0atm气氛下熔渣的侵蚀程度明显减轻，但渗透加剧。气氛影响熔渣中的变价离子如Fe，Mn的价态及存在形式:P(O2)=0.21atm时，Mn和Fe部分以+2和+3价离子（团）的形式存在于熔渣中，部分被渣蚀反应生成的尖晶石固溶。熔渣侵蚀轻量Al2O3-MgO浇注料后生成相主要为MgAl2O4固溶体，MnFe2O4固溶体以及CA6，由于渣中游离Fe，Mn离子大量减少，熔渣粘度上升后渗透能力减弱;P(Ar)=1.0atm时，渣中铁离子被还原成单质Fe导致熔渣液相量减少，对材料的侵蚀减轻，渣蚀反应产物主要为MgAl2O4和CA6。
　　(5)适量SrO(SrO/(SrO+CaO)(mol)≤0.32）取代三元系Al2O3-CaO-SiO2精炼渣中的CaO可在基本不影响熔渣粘度的情况下降低其液相线温度。渣中Sr部分取代Ca形成(Ca，Sr)7Mg(SiO4)4，当原料中SrO加入量为SrO/(SrO+CaO)(mol)=0.16、0.32和0.48时，(Ca，Sr)7Mg(SiO4)4相中Sr/Ca原子比分别为0.2、约0.5和约1.0。SrO能加快Al2O3-CaO-SiO2精炼渣与浇注料反应后在界面位置生成(Ca，Sr)Al12O19和Al10.1Mg0.91O17Sr0.92高熔点相的结晶速率，进而起到隔离熔渣进一步侵蚀的作用。
　　(6)基于水平集两相流模型，通过耦合热力学数据库，结合自定义UDF模型同步耦合传热、化学反应等过程，建立了完整的熔渣侵蚀轻量Al2O3-MgO浇注料数学模型。采用数值模拟方法计算得到的熔渣侵蚀面积远小于渗透面积，渣蚀反应产物为CA2和CA6，其中CA2主要出现在基质部位，而在骨料处含量极低，CA6则仅仅只存在于被侵蚀的骨料位置。计算得到的各渣蚀产物分布聚集特征与实际条件下同等组份熔渣侵蚀轻量Al2O3-MgO浇注料实验结果基本一致，验证了该模型的正确性。

目录

声明

摘要

前言

第一章 文献综述

1．1 钢包内衬耐火材料的发展

1．2 钢包内衬耐火材料的损毁

1．2．1 钢包内衬耐火材料的损毁形式

1．2．2 熔渣侵蚀的理论模型

1．3．1 熔渣的离子特性

1．3．2 碱度与光学碱度

1．3．3 粘度

1．3．4 预熔型精炼渣

1．4 熔渣侵蚀耐火材料的测试方法

1．5 精炼钢包内层材料侵蚀的研究现状

1．6 本课题的提出及主要研究内容

第二章 轻量Al2O3-MgO浇注料基质显微结构设计与优化

2．1 浇注料基质粒度分布设计

2．1．1 浇注料基质紧密堆积模型

2．1．2 基于颗粒球形度的基质粉体模型修正

2．1．3 实施方法

2．1．4 计算结果

2．2 实验

2．2．1 实验原料

2．2．2 检测与表征

2．3 结果与分析

2．3．1 流变性能

2．3．2 常温物理性能

2．3．3 孔径分布

2．3．4 显微结构与物相

2．3．5 抗渣性能

2．4 讨论

2．5 本章小结

第三章 骨料显微结构对轻量Al2O3-MgO浇注料抗渣性能的影响

3．1 实验

3．1．1 实验原料

3．1．2 实验方法

3．1．3 检测与表征

3．2 结果与分析

3．2．1 刚玉骨料显微结构对比

3．2．2 抗渣性能

3．2．3 渣蚀界面显微结构

3．2．4 渣蚀界面相组成

3．3 讨论

3．3．1 含不同骨料试样与熔渣反应的热力学

3．3．2 不同刚玉骨料在Al2O3-CaO-SiO2渣中溶解动力学

3．4 本章小结

第四章 熔渣组分体系及碱度对轻量Al2O3-MgO浇注料侵蚀的影响

4．1 实验

4．1．1 实验原料

4．1．2 检测与表征

4．1．3 热力学模拟

4．2 结果与讨论

4．2．1 不同体系熔渣对轻量型Al2O3-MgO浇注料的侵蚀

4．2．2 不同碱度熔渣对轻量型Al2O3-MgO浇注料的侵蚀

4．3 本章小结

第五章 不同气氛下轻量Al2O3-MgO浇注料的渣蚀机理研究

5．1 实验

5．1．1 实验原料

5．1．2 检测与表征

5．1．3 热力学模拟

5．2 结果与分析

5．2．1 宏观侵蚀形貌

5．2．2 渣蚀界面显微结构

5．2．3 渣蚀界面相组成

5．3 讨论

5．3．1 氩气条件下环境氧分压的确定

5．3．2 气氛对渣-材料界面平衡物相和侵蚀速率的影响

5．3．3 气氛对尖晶石生成的影响

5．4 本章小结

第六章 SrO对精炼渣侵蚀轻量Al2O3-MgO浇注料渣蚀行为的影响

6．1 实验

6．1．1 实验原料

6．1．2 检测与表征

6．2 结果与分析

6．2．1 粘度

6．2．2 融化与结晶特性

6．2．3 显微结构与物相

6．2．4 SrO对预熔精炼渣渣蚀行为的影响

6．3 讨论

6．4 本章小结

第七章 熔渣对轻量Al2O3-MgO浇注料侵蚀的数值模拟

7．1 物理与数学模型

7．1．1 物理模型

7．1．2 数学模型

7．2 几何模型与网格划分

7．3 边界条件与参数

7．4 结果与分析

7．4．1 渗透与侵蚀深度

7．4．2 渣蚀产物分布

7．4．3 模型验证

7．5 本章小结

8．1 结论

8．2 后期工作展望

参考文献

本论文创新点

附录

致谢