耐火材料对IF钢总氧含量及夹杂的影响

李会利 李楠 魏耀武­

　　武汉科技大学高温陶瓷与耐火材料湖北省重点实验室 武汉43008l

摘 要 研究了石英–刚玉质、刚玉质和镁质耐火­材料对所处理的IF钢总氧含量和夹杂的影响，用氧­测定仪对钢中的总氧含量进行了测定，并对钢中的­夹杂进行了SEM和EDS分析。结果表明：耐火材­料对钢的增氧量的大小与所用耐火材料的氧潜能­指数(IOP)有关，IOP越大，增氧量越大;镁质耐火­材料由于有较低的IOP，所以对钢水的增氧和夹杂­的影响最小。

关键词 耐火材料，IF钢，总氧含量，夹杂­

近年来，由于一系列精炼工艺的出现，钢中硫、­磷、氮、氢、氧等元素的质量分数最低可降到O.叭%­以下[1]。但是，在后续的浇铸过程中，特别是在中­间包中，钢水不可避免地与耐火材料接触，合格的­洁净钢被重新污染。耐火材料对钢水的污染主要­来自两个方面：被侵蚀的耐火材料部分进入钢水­中，或者耐火材料使钢水再氧化。

无间隙原子钢(IF)对夹杂物含量的要求非常­严格。如何防止洁净钢被耐火材料重新污染，对保­证钢的最终质量具有重要意义。本试验主要研究­了不同材质的耐火材料对IF钢的总氧含量和夹杂­的影响。

1 实验

1.1原料­

实验用原料的化学组成见表1。实验用IF­钢产自宝钢，其O、C、Si、Mn、Ti、S、P、Al和N的质量分数分别为0.0015%、0.002%、0.03%、0.12%、­0.073%、0.0078%、0.01%、0.045%和0.0034%。

 

1.2实验过程

采用表1中列出的原料，按规定的颗粒配比配­制成镁质(以M表示)、白刚玉质(以A表示)和熔­融石英一白刚玉质(以S表示，其中刚玉所占的质­量分数为55%)3种浇注料，各加入3%的SiO2微粉­作结合剂，再加入6%～7%的水，混合均匀，然后在­石墨坩埚内浇注成耐火材料内衬。把IF钢锭埋入，­室温下放置12h，然后在110℃烘干24h。为了考­ 察有渣与无渣的影响，一组试样中钢样露出耐火材­料，上面盖10g渣;另一组试样无渣，钢样完全埋人­耐火材料中。­

将上述试样放人匣钵中，埋炭加热升温至­1600℃。第一组保温90min，冷却后取出钢样。由­于石英在升温烧结过程中存在一些晶型转变和膨­胀，常导致耐火材料内衬开裂，钢样流出。为了尽­量避免这种现象的发生，第二组钢样只保温45­min。在圆柱形试样的横截面上每隔60°角制取一­Φ5mm×10mm的试样，共6个，测定各自的总氧含­量，采用数理统计的方法取平均值。然后，用SEM­和EDS对钢样中的夹杂进行分析。

2结果与讨论­

2.1总氧含量的实验结果­

实验结果见图1(有渣)和图2(无渣)。从图中­可以得出：

(1)不论采用上述3种耐火材料中的哪一种，处­理后IF钢的总氧含量都有不同程度的增加。IF钢的原始氧含量ω(O)=15×，处理后，总氧含量­最低的也在50×­以上。在本实验中，引起IF­钢总氧含量增加的因素可能是多方面的，除了耐火­材料本身之外，其中的气孔(内有空气)和浇注过程­中加入的水等，都可能会引起IF钢的再氧化。但在­其他条件相同的情况下，随着所用耐火材料的不­同，钢中总氧含量的变化呈现出一定的规律，即：镁­质耐火材料处理后钢样的总氧含量最小，白刚玉质­耐火材料处理后的次之，熔融石英–白刚玉质耐火­材料处理后的最大。

(2)第一次试验的总氧量较第二次的高，可能­与保温时间长和加渣有关。具体哪种条件是主要­原因有待进一步研究。

2.2钢中夹杂的EDS分析结果­

对在不加渣情况下用3种不同材质的耐火材­料处理后的钢样进行了SEM分析，以观察其夹杂的­种类与数量，并从3个钢样中各取5个典型夹杂(1#­～5#)进行EDS分析。3个钢样中典型夹杂的EDS­分析结果见表2。

 

从表2可知，钢中的夹杂主要是主体氧化物、­镁铝尖晶石、莫来石、镁橄榄石和铁橄榄石，其次还存在一些多组分化合物，后者是1600℃时钢水中­的小液滴在冷却时形成的玻璃相夹杂。­­

从试样的SEM观察结果来看，钢中夹杂的个数­是按石英–刚玉、白刚玉、镁质材料的顺序依次递­减的。而且，各试样中夹杂的个数从边缘到内部依­次减少。­

2.3讨论

2.3.1 钢中总氧含量的热力学分析­

Härkki[2]与Kuehar[3]等都曾用热力学分析了­不同耐火材料使钢水再氧化的可能性，认为：酸性­氧化物如SiO2，由于其在炼钢温度下的氧分压较­高，所以使钢水增氧的作用较大;而碱性耐火氧化­物如MgO，由于在炼钢温度下的氧分压较低，因而­向钢水中的增氧作用较小。

汤浅悟郎等人[4]认为，耐火材料对钢中总氧含­量的影响取决于其自身氧潜能的高低，并以氧潜能­指数IOP(Index of Oxygen Potential)来表征氧潜能­的大小。IOP定义如下：

式中：△Gi为氧化物i的标准生成自由焓变化，Mi为­其分子量，Di为其密度，xi为其摩尔分数。­

按有关热力学数据[5,6]，根据上式计算得本研­究中所用3种耐火材料的IOP值。IOP与IF钢中­总氧含量的关系如图3所示。由图3可知，随着IOP的增大，[O]增加。所以，象SiO2这种具有较­高的标准生成自由焓的物质，具有较高的氧潜能，­使钢水增氧最多，刚玉质耐火材料次之，MgO质耐­火材料的增氧最少。

2. 3.2钢中夹杂的分析­

由于试验用IF钢中Si、Al、Ti的含量较高，在试­验过程中，Al、Ti可以和耐火材料中的SiO2发生如­下反应：

4[Al]+3SiO2(s)=3[Si]+2Al2O3(s)

­[Ti]+ SiO2(s)=[Si]+TiO2(s)

此外，耐火材料浇注过程中所加的水和残留的空气­也可能使钢中的Si、Al氧化，从而导致钢中氧含量­增大。反应如下：

­[Si]+2[O]=SiO2(s)­

2[Al]+3[O]= Al2O3 (s)­

上述反应生成的Al2O3 (s)、SiO2 (s)、TiO2(s)等，或­者被耐火材料吸收，或者残留在钢液中形成夹杂。­生成的各种氧化物微粒，在钢水中靠布朗运动碰撞­到一起时，也可生成低熔物，以液相的形式存在，冷­却过程中形成夹杂。­

在采用石英加刚玉、刚玉耐火材料的钢样中也­发现少量含镁夹杂.这些夹杂有可能来自SiO2微­粉。有关问题尚待进一步研究。

­3 结论­

(1)不论采用本实验中的哪一种耐火材料，处­理后钢样中的总氧含量都有不同程度的增加，其主­要原因可能是由于残留在耐火材料空隙中的空气­和浇注时所加的水所致;但是，在外界条件完全相­同时，氧含量随所使用耐火材料的不同而变化的规­律与耐火材料的IOP有关，IOP越大，增氧量越大。­镁质耐火材料由于具有较低的10P值，所以使钢水­增氧最小，刚玉质耐火材料次之，石英加刚玉质耐­火材料最大。­

(2)加渣与否以及保温时间的长短对钢中的总­氧含量有影响，有渣和长的保温时间使钢中的总氧­含量增加。­