耐火材料對鋼材質量的影響

       耐火材料是一種能夠抵抗高溫作用的固體材料，廣泛應用于冶金工業。根據其化學性質和成份的不同，耐火材料通常可分為：酸性耐火材料(石英、硅磚)；半酸性耐火材料(半硅磚)；中性耐火材料(鉻磚、粘土磚、高鋁磚)；堿性耐火材料(鎂磚、鉻鎂磚、鎂鋁磚、白云石磚、鎂砂、白云石及鎂質耐火泥)等。堿性耐火材料由于具有耐火度高、熱穩定性好、抗渣性好等優良特性，目前被廣泛應用于冶煉設備中。在轉爐與電爐煉鋼過程中，鋼水對爐襯耐火材料會產生機械沖刷，與此同時構成耐火材料的組成元素溶解到鋼水中并與鋼水之間發生化學反應。鋼水對爐襯的機械沖刷以及二者之間的化學反應：一方面導致爐襯耐火材料的受損與侵蝕；另一方面會對鋼水及鋼材的質量產生影響。在鋼的冶煉過程中，爐襯耐火材料與熔池中鋼水的相互作用以及因此而引起對鋼水及鋼材質量的影響主要有以下幾方面：　 
       耐火材料脫落使鋼水及鋼材中產生非金屬夾雜　 在煉鋼過程中，爐襯耐火磚受到侵蝕后，磚的脫碳層和反應層發生結構變化引起松弛。受熔融鋼水、爐渣、爐氣以及兌入鐵水和加入散料、廢鋼時的機械沖刷，使得耐火材料脫落并卷入鋼溶液中，形成非金屬夾雜。鋼材中的非金屬夾雜物與鋼材本身的性能有很大差別。從力學角度分析，非金屬夾雜物的存在部位是鋼材的應力集中點，對鋼材的強度、剛度以及持久極限等力學性能都有很大影響。因此，非金屬夾雜是影響鋼材質量的嚴重缺陷之一。　 
       耐火材料的構成元素與鋼水中非金屬元素之間相互反應產生非金屬夾雜物　 構成耐火材料的一些元素，直接溶解到鋼水中，使得熔池中的氧、碳及其他非金屬元素增加。在一定條件下，鋼水中非金屬元素之間相互反應生成非金屬夾雜物。同理也會對鋼水及鋼材質量造成不利影響。　 
       耐火材料的增碳對鋼水及鋼材質量的影響　 
       目前國內外廣泛應用于轉爐、電爐、連鑄、爐外精煉以及鋼包中的耐火材料，是20世紀80年代發展起來的一類較為新型的堿性耐火材料——碳復合耐火材料。碳復合耐火材料中一般含有3%～30%的碳。在煉鋼過程中，碳的氧化反應是冶煉過程的重要反應。把鋼水中的含碳量氧化降低到所煉鋼號的規格內，是煉鋼的重要任務之一。而耐火材料的脫碳會造成鋼水中碳的含量增加改變鋼的組成，尤其在冶煉純凈鋼、超純凈鋼時，耐火材料的脫碳會對鋼水及鋼材質量產生較大的影響。耐火材料的脫碳機理為：當冶煉進行的一定程度后，鋼與耐火材料之間存在一定的液相隔離層。反應物在耐火材料表面形成一個固相產物層，耐火材料中的組成元素穿過該層擴散到鋼水中。而鋼水中的一些元素和氧化物，主要是鋼渣中的(FeO)穿過耐火磚的反應層到達脫碳層反應界面，二者在相會處發生脫碳反應。因而，影響鋼水的成分。
       其化學反應式為：　 
       (FeO)+C(固)=[CO]+Fe爐渣　　　　　　　 
       O₂+2C(固)=2[CO]爐氣　 
       另外，轉爐和電爐在冶煉過程中，要向爐內進行吹氧脫碳。氧氣[O2]使熔池中的原子鐵[Fe]大量氧化成[FeO]，溶解于鋼水中的碳[C]與[FeO]接觸發生氧化反應。碳被氧化后生成CO氣泡合并長大后上浮，通過渣層排出。碳被氧化會影響鋼水中氧等其他組分的含量。因而也會對鋼水及鋼材質量產生一些的影響。然而，[CO]氣泡的上浮與排出，對金屬熔池有一種強烈的攪拌作用，對均勻鋼水的成分與溫度，改善鋼水的化學反應動力條件也有一定的益處。　 
       耐火材料的脫硫作用有利于提高鋼水及鋼材質量　 
       硫在鋼中多以硫化物的形式存在，對絕大多數鋼而言，硫[S]是有害元素。它對鋼材性能的主要影響：使鋼材產生熱脆、減低鋼的力學性能及焊接性能等。因此，減小和控制鋼中硫的含量，對于提高鋼材質量具有很大益處。實驗研究表明，在高溫下，耐火材料的內部有一定的液相生成。介于鋼水熔液與耐火材料之間的液相層，通常為硅酸鹽熔體，它的組成、結構與熔渣十分相似。因此，也具有熔渣的氧化還原；脫硫、磷以及吸附鋼液中夾雜物的作用。　 
       耐火材料對熔池中鋼水的脫硫原理為：進入耐火材料液相隔離層中的硫離子通過液相向耐火材料內擴散，與耐火材料中的[CaO]顆粒反應，在[CaO]顆粒表面生成CaS層。其化學反應式為：(CaO)+[S]=(CaS)+[O]這表明CaO具有較強的脫硫作用。因此，在含有MgO-CaO系列的耐火材料具有較強的脫硫作用。　 
       耐火材料的脫磷作用有利于提高鋼水及鋼材的質量　 
       磷在鋼中多以磷化鐵的形式存在，對絕大多數鋼而言，磷[ｐ]是有害元素。它對鋼材性能的主要影響：降低鋼的塑性、韌性、耐焊接性能以及使鋼材產生冷脆等。耐火材料的脫磷作用與熔渣脫磷作用相同。基本原理為：鋼水中的磷氧化生成Ｐ2O5。由于Ｐ2O5氣體不穩定，須上浮到渣與鋼水的液面與耐火材料液相層中提供的堿性氧化物反應生成磷酸鹽溶入渣中，從而使磷從鋼水中排出。
       其化學反應式為：　 
       2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO.P2O5)+5[Fe] 　 
       因此，耐火材料能夠脫除鋼水中磷的一定含量，從而有利于提高鋼水與鋼材的質量。　 
       近年來，由于工業、國防以及航空航天工業的飛速發展，對優質鋼材的需求愈來愈高。在冶煉純凈鋼等優質鋼材時就必須高度重視和深入研究耐火材料與熔池中鋼水之間的反應對鋼質量造成的影響。同時也為研發能夠對鋼水起到凈化作用的新型耐火材料提供依據。