《材料结构与性能》课程论文全解

《材料结构与性能》课程论文

刚玉-尖晶石浇注料微结构参数控制及其强度、热震稳定性和抗渣性能研究

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学生学号：201502703043

撰写日期：2015年11月

摘要

本文通过使用环境对耐火材料的要求，耐火材料与结构参数的分析，耐火材

料结构控制措施进展分析等方面总结了耐火材料的使用现状，并提出了下一步耐

火材料的改进措施。分别是：在基质中加入一定量的硅微粉，改变液相的粘度，

提高抗渣性；控制铝镁浇注料基质的粒径分布，使大颗粒含量一定保证其高温强度；使用球形轻骨料代替原来的致密骨料，提高气孔率，降低体积密度，提高能

源利用率，降低能耗。

关键词：铝镁浇注料；高温强度；抗渣性；热震稳定性

Abstract

Requirements of the apply for fire resistance, analysis of refractory materials and structure parameters, current application and the promotion about the refractory are introduced in this paper. It included that: add some sillicon power into matrix in order to improve the viscosity of the liquid for abtaining better slag resistance; control the distribution of the particle in the matrix to ensure the high temperature strength; use spherical light aggregate instead of the original density aggregate to improve porosity and the rate of energy.

Keywords:Alumina-Magnesia castable; high temperature strength; slag resistance; themal shock resistance.

前言

铝质材料和镁质材料是耐火材料中的基础材料，其与化合物尖晶石（MgAl2O4）的组合，赋予了材料许多新的特性，拓宽了浇注料组成和性能设计的空间[3]。铝镁质和铝-尖晶石质浇注料由于其优异的抗渣性能和良好的抗热震性受到青睐，在钢包内衬、钢包透气砖等产品中得到广泛应用。

熔渣侵蚀是钢包浇注料在使用过程中最常见的一种损坏形式．在实际使用中有50％是由于熔渣侵蚀而损坏[2]。此外，钢包使用过程中，还要抵抗钢水的热冲刷，故对镁铝浇注料的强度提出了较高的要求。当铝镁浇注料应用于透气砖时，因温度较低气体的喷吹与温度较高的钢水温差较大，使其承受巨大的热应力，因此，透气砖对于铝镁浇注料的热震稳定性要求较高。因此研究铝镁浇注料的强度、抗渣性以及热震稳定性是必要的。

目前，钢铁工业发达国家及我国的多数钢包透气砖为刚玉-尖晶石质[1]。选用这类材料的主要原因是刚玉和尖晶石的熔点高(刚玉熔点为2050℃，尖晶石熔点2135℃)，化学性质稳定，不易与钢、渣发生化学反应。但刚玉的热膨胀系数大，对透气砖的热震稳定性不利。虽然通过选用板状刚玉等措施可以提高其抗热震性，但为了进一步延长钢包透气砖的寿命，其热震稳定性仍有待提高。

1 使用环境对耐火材料性能要求

钢包内钢水的温度为1600-1700℃，在使用过程中工作环境十分恶劣[4]，渣线部位的浇注料受钢液以及熔渣中多种成分的化学侵蚀。机械冲刷，损毁很快，因此对浇注料的高温性能要求很高，本文就铝镁浇注料的高温强度、热震稳定性以及抗渣性进行分析。

1.1 高温强度

铝镁浇注料主要用于钢包内衬，钢包透气砖。随着炼钢节奏的不断加快和市

场经济的发展，钢水温度不断提高，对耐火材料的高温强度提出了更高的要求。

铝镁浇注料中有大颗粒存在，如果把基质看成均匀的细粉，那么在基质与骨料之

间形成一个界面。在高温使用过程中由于两者的性质不同，容易在这个界面上产

生裂纹，从而对浇注料的强度等力学性能产生影响。即使界面上不产生裂纹，当

裂纹扩散到界面时，因颗粒与基质之间的结合较弱，裂纹就会沿界面扩展，若颗

粒与基质之间的结合较强，裂纹扩散可能被大颗粒阻止，此时若颗粒强度不大，

裂纹穿过大晶粒继续扩展直至断裂。

此外，铝镁浇注料在使用前处于远离热力学平衡的不稳定状态，在高温状态

下可以发生一定的物理化学变化，导致组成和显微结构变化以及裂纹的产生和消除，并产生一定的液相使耐火材料产生塑性。

对于铝镁浇注料而言，因方镁石与尖晶石的膨胀系数不匹配，尖晶石颗粒周

围产生微裂纹以及环绕尖晶石颗粒周围的环向张应力强化了此复合材料。但是，

过多微裂纹的存在会促进低应力水平上裂纹的扩散与生长，从而导致强度下降。1.2 热震稳定性

材料的热力学性质，如热膨胀系数、导热系数、热容等对铝镁浇注料的抗热震性能有很大。浇注料的比热容和密度越大，随温度的升高，在材料中造成的温差较小，热应力较小。此外，浇注料的导热系数越大，传热速度越大，温度梯度下降，热应力减小，抗热震性能好。在钢包的使用中，随着出钢的进行，会产生巨大的温差，此时由温度梯度产生的热应力也增大，易产生裂纹。随出钢次数的增多，裂纹扩展，直至材料损毁。

此外，浇注料的任何组成成分或粒度以及生产工艺的变化都有可能在耐火材料中产生裂纹。此外，显微结构中的晶界、相界以及气孔等也会对裂纹的扩展产生影响。而裂纹的数量、分布与长度将对其热震性能产生影响。

1.3 抗渣侵蚀性

为方便研究渣对耐火材料与侵蚀过程，将渣与耐火材料界面分为几层：原渣层、变渣层、蚀损层、渗透层以及未变层。变渣层是指在渣的侵蚀中，一部分耐火材料颗粒脱落下来，进入熔渣中，使渣的成分与性质发生变化。蚀损层是指耐材的基质被大量蚀损掉，耐材的显微结构严重破坏，但大颗粒基本为脱落，基本可以保留原来的形状。渗透层是渣沿着耐火材料的气孔晶界等向内部渗透而形成的。渗透层中耐火材料被严重损坏，化学矿物组成以及致密度发生变化，在承受热应力时，因膨胀系数不同会与原质层之间形成裂纹。

钢包中的渣为碱性渣，故选用铝镁浇注料这种碱性耐火材料作为钢包内衬。铝镁浇注料与渣中的溶解包括两个方面：一是耐火材料与渣界面的化学反应；二是反应产物向渣中扩散。因此，我们可以通过改善这两个方面来改善耐火材料的抗渣性。