耐火材料的最大用戶是鋼鐵工業(yè),它也是鋼鐵工業(yè)不可缺少的重要基礎材料之一。它對鋼鐵生產有很大影響。在一定條件下甚至可以成為阻礙某項冶煉新技術發(fā)展的關鍵。耐火材料與鋼鐵生產之間的關系表現(xiàn)為兩方面:一方面是保證鋼鐵工業(yè)流程的穩(wěn)定性與經濟性;另一方面是滿足鋼鐵質量與品種的需求。在對鋼材品種與質量要求不高的情況下,為了保證生產過程的穩(wěn)定性、降低成本,延長耐火材料使用壽命環(huán)節(jié)及低成本是使用者追求的目標。在過去的數十年中,由于耐火材料生產與使用科學技術的進步,耐火材料的使用壽命有了很大的提高。其結果是耐火材料的使用壽命越來越長,產量越來越少。耐火材料工作者面臨很大的困惑,繼續(xù)將長壽命作為唯一的追求目標已不能滿足耐火材料自身及使用各方面的要求。耐火材料需要新的發(fā)展領域。
除了追求長壽這一目標以外,耐火材料的功能也比較單一,僅僅是作為高溫容器的內襯或者部件的材料以抵抗高溫與熔渣的侵蝕。目標與功能的單一使耐火材料的發(fā)展受到限制。開發(fā)新的功能,讓材料在使用條件下發(fā)揮多方面的作用是應該重視的方向。
近年來,由于對鋼質量的要求愈來愈高,以及潔凈鋼等優(yōu)質鋼材生產的需要,耐火材料與熔融鋼鐵之間的反應以及對鋼質量的影響受到人們的重視。首先,要求耐火材料不污染鋼水;其次,研究開發(fā)耐火材料可能起到對鋼水的凈化作用。新功能的開發(fā)將給耐火材料發(fā)展提供新的機遇。
耐火材料與熔融鋼鐵之間的相互作用大致包括如下幾個方面:
1、耐火材料受到侵蝕后引起結構的松弛,在熔融鋼鐵的沖刷下卷入熔融鋼鐵中,形成非金屬夾雜。這類夾雜的尺寸較大,屬于外來夾雜。
2、耐火材料構成組分直接溶解到熔融鋼鐵中去,增加熔融鋼鐵中的氧及其他非鐵元素的含量。在一定條件下,存在于熔融鋼鐵中的非鐵元素可能相互反應生成夾雜。這類夾雜是在熔融鋼鐵內部生成的,屬于自生成夾雜。這類夾雜的尺寸一般都很小。
3、耐火材料是在高溫下使用的。在高溫下,耐火材料內部或多或少有液相生成。生成的液相包圍在耐火材料顆粒周圍。同時,此液相將與熔融鋼鐵中生成的氧化物(如氧化鐵)反應,在耐火材料與熔融鋼鐵之間形成一液相隔離層,將熔融金屬與耐火材料隔離,阻止了耐火材料向熔融金屬的直接溶解。耐火材料以及氣孔中的氣相與熔融金屬之間的反應都要通過這一反應層來進行。熔融金屬與液相層的結構不同,前者為金屬結構,后者為離子結構,它們之間不可能互溶,它們之間的反應必定伴隨著離子的電價的變化。介于熔融金屬與耐火材料之間的液相層通常也是硅酸鹽熔體,它們的組成、結構與熔渣十分相似。熔渣具有的作用與功能,此液相層也應具有。這些作用包括如下幾個方面:
1、渣有氧化性與還原性,耐火材料與熔融金屬之間的液相層也應具有氧化性與還原性,從而影響熔融金屬中的氧含量及氧化物夾雜的生成。
2、渣具有脫磷及脫硫的作用,此液相層也應具有脫磷及脫硫作用。
3、渣可以吸附熔融金屬中夾雜,此液相也應具有吸收夾雜的作用。20世紀70年代中期,Lindskogllj就曾提出鋼水中的大部分夾雜是被耐火材料所吸收的。但后來的許多學者都將注意力集中到熔渣對夾雜的吸附,忽視了耐火材料的作用。按冶金原理,渣吸收夾雜應滿足兩個條件:其一是夾雜必須與熔渣接觸。在鋼水中,夾雜的密度比鋼小,它們可上浮到渣一鋼界面而與渣接觸;其二是夾雜與鋼水的黏附功大于它與熔渣的黏附功。耐火材料與鋼水之間的液相層也應能滿足上述兩個條件。首先,在精煉過程中,熔融金屬常被劇烈攪動,夾雜由于自身浮力作用而產生的上浮運動已顯得不重要。其運動軌跡變得非常復雜,它碰撞到耐火材料的概率很高。而且,在鋼包等容器中鋼水與耐火材料的接觸面積大于鋼水與渣的接觸面積。因而,夾雜碰到耐火材料液相的概率應高于它碰到渣的概率。其次,由于液相的成分與渣相近,同屬離子結構,它們的化學組成與夾雜接近。因而,與熔渣一樣,夾雜與液相層的黏附功應小于其與鋼水的黏附功。完全有可能吸附鋼水中的夾雜。
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