洁净钢用耐火材料的发展及应用--论文.docx

11 前言前言 ......................................................................................12 洁净钢的发展及现状洁净钢的发展及现状...........................................................12.1 转炉洁净钢生产时期（转炉洁净钢生产时期（1945——1970 年）年）..........................22.2 洁净钢生产流程开发期（洁净钢生产流程开发期（1970——2000 年）年）......................22.3 洁净钢生产流程优化期（洁净钢生产流程优化期（2000 年以后）年以后）..........................22.4 传统洁净钢流程的弊病传统洁净钢流程的弊病.......................................................33 洁净钢与耐火材料的关系洁净钢与耐火材料的关系...................................................63.1 耐火材料与钢液中氧含量的关系耐火材料与钢液中氧含量的关系.......................................63.2 耐火材料与钢中硫含量的关系耐火材料与钢中硫含量的关系...........................................73.3 耐火氧化物及结合剂与钢中磷含量的关系耐火氧化物及结合剂与钢中磷含量的关系[] ....................83.4 耐火材料与钢中氢含量的关系耐火材料与钢中氢含量的关系...........................................93.5 低碳钢及超低碳钢的碳污染问题低碳钢及超低碳钢的碳污染问题.....................................104 洁净钢用耐火材料的发展洁净钢用耐火材料的发展.................................................114.1 钢包精炼系统钢包精炼系统 ....................................................................114.2 RH 精炼系统精炼系统.......................................................................134.3 中间包系统中间包系统 .......................................................................154.4 连铸连铸““三大件三大件””.................................................................1625 对洁净钢用耐火材料的展望对洁净钢用耐火材料的展望.............................................186 结语结语 .......................................................................................181洁净钢用耐火材料的发展及应用洁净钢用耐火材料的发展及应用【摘 要】本文综合论述了洁净钢的发展，以及影响钢液洁净度的主要因素。

主要介绍了精炼钢包系统、RH 精炼系统、中间包系统用耐火材料的材质选择及技术进步最后对洁净钢用耐火材料未来的发展提出了自己的展望关键字】】耐火材料、洁净钢、夹杂物、氧含量、氧势、硫含量、LF、RH1 前言前言世界各工业领域的发展与技术进步以及人们生活水平日益提高,对钢材性能的需求日益苛刻洁净钢的市场需求量在不断增大,钢的洁净度要求也越来越高耐火材料作为钢水容器和钢水冶炼过程中的功能材料,与钢水直接接触如果材质选择不合理,质量低劣或管理不善,耐火材料就有可能以非金属夹杂物等形式存在于钢水之中,从而影响钢水的洁净度钢的洁净度是反映钢的总体质量水平的重要标志，是内在质量的保证指标[1]因此,研究洁净钢用耐火材料具有重要的现实意义[2]虽然洁净钢的冶炼是以铁水预处理开始,本文主要涉及：①影响钢液洁净度的主要因素，和耐火材料对钢水质量的影响②洁净钢炉外精炼与连铸用耐火材料及其发展,从耐火材料材质及其技术进步、创新及展望两个方面来讨论[3]2 洁净钢的发展及现状洁净钢的发展及现状洁净钢并不是特指某一类具体的钢种，而是代表实际生产过程中控制钢水洁净度所能达到的工艺水平所以，洁净钢不是一个钢种的概念，而是属于生2产工艺范畴，反映出洁净钢的生产工艺和制造水平。

不同用途的洁净钢中夹杂物的含量和尺寸不同，如表 1 所示[4]钢时代洁净钢冶炼技术得到迅速发展，氧气顶吹转炉是这一时期最重要的技术创新它不仅淘汰了平炉，推动电炉进行彻底改造，还促进了高炉大型化和连铸、连轧工艺的发展这一时期洁净钢生产技术发展可分为３个时期2.1转炉洁净钢生产时期（转炉洁净钢生产时期（1945——1970 年）年）早期洁净钢生产对钢材性能和洁净度要求不高，转炉成为生产的主要环节洁净钢技术发展重点是研究解决顶吹转炉反应效率低、渣钢反应偏离平衡和吹炼过程不平稳等技术问题主要创新成果包括：氧气底吹转炉和喷粉技术、各种复吹转炉以及铁水脱硫和炉外精炼等2.2洁净钢生产流程开发期（洁净钢生产流程开发期（1970——2000 年）年）由于制造业对钢材洁净度要求更加苛刻，如无间隙原子深冲钢要求 ｗ（[C+N]）≤0.0050%；轴承钢要求 ｗ （T[O]）≤0.0060%；抗应 力 腐 蚀（SCC）和氢致裂纹（HIC）的高强钢如 Ni－Cr－Mo 和质量分数 9%Ni 钢等要求 3ｗ([p])≤0.0030%；抗 H2S 腐蚀的管线钢要求 ｗ([S])≤0.0005%等，单纯依赖转炉很难生产。

这一时期的研究重点是对转炉功能的解析与转换，形成洁净钢生产流程，突破净钢冶炼的技术极限主要技术创新包括铁水“三脱”预处理、转炉智能吹炼、多功能真空精炼等2.3洁净钢生产流程优化期（洁净钢生产流程优化期（2000 年以后）年以后）钢材洁净度未达到预期水平的原因主要是：提高钢材性能并非完全依赖纯净度，钢中最大夹杂物尺寸，连铸偏析、疏松等缺陷及轧材组织控制等因素的影响不容忽视，使研究热点从突破洁净度极限转变到对生产流程的优化洁净钢生产发展的重点从单纯追求突破洁净度极限转变为降低生产成本，提高生产效率，实现绿色化生产主要创新是钢中最大夹杂物控制、连铸轻压下和小压缩比连铸及建立高效低成本洁净钢生产平台等2000 年日本和歌山厂将原有 2 座炼钢厂（160t×3＋80t×3）改造为 1 座 210t 转炉炼钢厂，达到以下开发目标，被誉为“２１世纪世界最先进的钢铁厂”：（1）采用全铁水“三脱”和真空处理工艺，全部产品的杂质总质量分数不大于0.010%；（2）采用高效快节奏生产工艺，转炉生产效率提高１倍，达到两座转炉的产量；（3）降低生产成本，产品成本低于传统流程普通钢可降低炼钢能耗 66%、石灰消耗 25%、铁损 29%、锰铁合金 48%，减少渣量 33%，粉尘回收率提高 60%[5]。

2.4传统洁净钢流程的弊病传统洁净钢流程的弊病传统洁净钢生产流程如图 1 所示，其主要特点是把炉外精炼作为钢水提纯的重点，转炉作为初炼炉，多数未采用“三脱”工艺该流程存在以下技术弊病4图 1 传统洁净钢生产流程示意图炼钢回硫炼钢回硫由反应热力学决定：脱硫为还原反应，脱硅、脱磷和脱碳是氧化反应，氧化性炉渣溶解硫的能力大幅降低各种炼钢渣系在还原条件下均有很高的脱硫能力，渣钢间硫分配比SL随碱度升高达到 200~600，如图 2 所示但在氧化条件下，硫从金属向炉渣传输为硫离子和氧离子在钢渣间交换的氧化还原反应：S＋(2O）＝O＋（-2S)反应平衡常数：))((])([))(( tSFeOwswswK在渣中酸性氧化物很少的条件下，渣钢间硫分配比 因 W（(FeO)）升 高 而 大 幅 降低，一般超过 10,如图 2 所示 “三脱”铁水少渣冶炼加强搅拌控制渣中 W([Fe]）≤5%，SL不会超过 100[6]5图 1 碳饱和铁水SL与碱性渣成分的平衡图 2 复杂渣系中酸性氧化物成分对脱硫平衡常数SK的影响回硫的危害是需要炉外精炼二次脱硫，增加生产成本；二次脱硫虽然降低6钢水硫质量分数，但脱硫产生的 CaS 系夹杂严重污染钢水，影响钢材性能。

低碳脱磷低碳脱磷是转炉炼钢的基本特征顶、底吹转炉脱磷，随 W（[C]）的降低，渣钢间磷分配比PL迅速上升，W（[C]）≤0.1%时才能实现高效脱磷低碳脱磷的原因在于钢液中碳、硅、锰、磷等元素的选择性氧化，各元素氧化顺序决定于发生氧化反应的氧位 P(O2)P(O2)越低，越易于氧化，优先其他元素反应脱碳 P(O2)较低使金属中磷很难直接氧化生成 P2O5((P2O5))；在渣钢界面上通过炉渣成 分控制 P2O5 使活度系数降低到171810~10才能实现脱磷转炉吹炼中金属和炉渣氧位变化与碳质量分数的关系如图 3 所示：冶炼前期 W([C])较高，氧分压仅 P(O2)为＝141610~10，要求脱 磷 的 P（O2）更 低后 期 碳 降 低 氧 位 升 高 到 P(O2)=810，使脱磷反应容易进行[7]底吹转炉渣钢氧位基本相当，顶吹转炉偏差较大，炉渣过氧化现象较严重冶炼过程磷的如图 4 所示，吹炼前期 W([C])≥3%时，硅、锰氧化为主,W([P])迅速降低；中期略有回磷，后期进一步深脱磷[8] 低碳脱磷的最大危害是不能高碳出钢造成钢渣过氧化 随碳质量分数降低，钢中 a(O）和渣中 W([TFe])升高，残锰降低，炉衬侵蚀加剧。

7图 3 各种转炉中的金属和炉渣氧位与ｗ（［Ｃ］ ）的关系夹杂物控制困难夹杂物控制困难是传统流程最突出的问题，由以下因素造成：（1）钢水过氧化，大量消耗脱氧剂，增大夹杂物2）沉淀脱氧，脱氧产物以夹杂物形态残留在钢中3）精炼过程不断产生新夹杂，如变性夹杂、脱硫夹杂和各种卷渣夹杂3 洁净钢与耐火材料的关系洁净钢与耐火材料的关系3.1耐火材料与钢液中氧含量的关系耐火材料与钢液中氧含量的关系耐火氧化物的溶解或分解造成增氧,写成通式:1/ yMxOy(s)= x/ y[M]+[O]式中[M]与[O]分别表示溶于钢液中的金属与氧其逆反应:x/ y[M]+[O]= 1/ yMxOy(s)则表示溶解在钢液中的脱氧剂 M 与溶于钢液中的氧反应生成脱氧产物 MxOy8如果 MxOy 不上浮,也会成为钢中夹杂物Al、Si、Cr、Zr 在铁液中的溶解度都很大;而 Mg 与 Ca 由于在高温下以气态存在,在铁液中的溶解度很低当元素在钢液中的溶解量很小时,一般说来其活度系数接近于 1,因此,可用浓度代替活度,即 a[M]=[%M]下面讨论氧化物或复合氧化物在钢液中溶解平衡时的情况假设体系中只有 Fe 及所讨论的氧化物或复合氧化物的元素,不存在其他元素。

3.1.1 采用刚玉作耐火衬Al2O3(s)= 2[Al]+ 3[O] 由热力学数据书可查得:2Al(l)+ 2/3O2(g)= Al2O3(s) ΔG = - + 323.24TAl(l)=[Al]1% ΔG = - 63180- 27.91T1/2O2(g)=[O]1% ΔG = - - 2.89T求得反应:Al2O3(s)= 2。