炼钢耐材料现状及发展资料

炼钢耐材料现状及发展耐火材料综述定义：耐火材料是耐火度不低于1580℃的无机非金属材料。尽管各国规定的定义有所不同，例如国际标准化组织（ISO）正式出版的国际标准中规定，“耐火材料是耐火度至少为1500℃的非金属材料或制品（但不排除那些含有一定比例的金属）”但基本概念是相同的，即耐火材料是用作高温窑、炉等热工设备的结构材料，以及工业用高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。2耐火材料综述耐火度耐火度是指材料在高温作用下达到特定软化程度的温度，表征材料抵抗高温作用的性能。耐火度与熔点表示的意义不同，熔点是结晶体的液相与固相处于平衡时的温度。耐火度是多相体达到某一特定软化温度的温度，它不是一种物质所特有的绝对物理量，是材料在特定试验条件下测定的达到特定软化程度时的相对技术指标。3耐火材料综述气孔率气孔率指耐火材料中的气孔体积与材料总体积之比。耐火材料的气孔是由原料中的气孔和成型后颗粒间的气孔所构成。大致可分为三类：a.闭口气孔，封闭在制品中不与外界相通；b.开口气孔，一端封闭一端与外界相通，能为流体填充；c.贯通气孔，贯通制品的两面，能为流体通过。如图（1），气孔率多以百分率表示。4耐火材料综述

图（1）耐火制品中气孔类型

1—为封闭气孔；2—开口气孔；3—贯通气孔3215耐火材料综述体积密度表示干燥制品的质量与总体积之比，即制品单位体积（表现体积）的质量，用g/cm3表示。体积密度是表征制品致密程度的主要指标，密度较高时，可减少外部侵入介质（液相或气相）对耐火材料作用的总面积，从而提高使用寿命，所以致密化是提高耐火材料质量的重要途径。6耐火材料综述透气度透气度是表示气体通过耐火制品难易程度的特性值。耐火材料的透气度是在一定时间内，由一定的气体，透过一定断面和厚度的试样数量来表示。透气度与气孔的构造和状态有关，并随耐火制品成型时加压方向而异，与气孔率既有一定关系，又无规律性，并且又和气孔率不同，即使统一制品的透气度，也随气体透过方向不同而异。通常，制品的透气度愈小愈好，但为了满足特殊使用条件，有时则要求制品由良好的透气性，比如钢包用透气砖，要求有良好的透气性，并且足够高的强度。

7耐火材料综述热学性质热膨胀：耐火材料的热膨胀是指体积或长度随着温度升高而增大的物理性质。其原因是原子的非谐性震动增大了物体中原子的间距从而是体积膨胀。热膨胀不仅是重要的使用性能，而且也是工业窑炉和高温设备进行结构设计的重要参数，其重要性还表现在直接影响耐火材料的热震稳定性和受热后应力分布和大小等。通常用线膨胀率和线膨胀系数表示。8耐火材料综述热导率热导率：表征耐火材料导热特性的一个物理指标，是指单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量。耐火材料的热导率对于高温热工设备的设计是不可缺少的数据，对于要求绝热性能良好的轻质耐火材料和要求导热性能良好的隔焰加热炉结构材料，检验其热导率更具有重要意义。9耐火材料综述导电性导电性：耐火材料（除炭质和石墨制品外）在常温下是电的不良导体，随温度升高，电阻减小导电性增强。在1000℃以上时提高的特别显著，如加热至熔融状态，则会呈现很大的导电能力。耐火材料的导电性弱强，通常用电阻率来表示：ρ=AeB/Tρ—电阻率；T—绝对温度；A、B—与材料特性有关的常数10耐火材料综述力学性质常温耐压强度：指常温下耐火材料在单位面积上所承受的最大压力，超过此值，材料将被破坏。常温耐压强度=P/A单位Pa，P表示压碎试样所需的极限压力；A表示试样受压的总面积。通常耐火材料在使用过程中很少由于常温下的静负荷破损，常温耐压强度是表明制品的烧结情况以及组织结构相关的性质。11耐火材料综述常温抗折强度：指养护到期的试样，在室温下受到弯曲负荷作用而断裂时的极限应力。影响耐火制品的抗折强度的主要因素是其组织结构，细颗粒结构有利于这些指标的提高。耐磨性：耐火材料抵抗坚硬物料或气体磨损作用的能力。耐火材料的耐磨性不仅取决于制品的密度、强度，而且也取决于制品的矿物组成、组织结构和颗粒结合的牢固性。12耐火材料综述高温力学性质高温耐压强度：材料在高温下单位截面所能承受的极限压力。该指标反映出制品在高温下结合状态的变化，特别是加入一定数量结合剂的耐火浇注料和可塑料，由于温度升高，结合状态发生变化时，高温耐压强度的测定犹为重要。13耐火材料综述高温抗折强度：指材料在高温下单位截面所能承受的极限弯曲应力。它表征材料在高温下抵抗弯矩的能力。耐火材料的高温强度与其实际使用密切相关，指标主要取决于制品的化学矿物组成，组织结构和生产工艺。材料中的熔剂物质及其烧成温度对制品的高温抗折强度有显著影响。高温抗折强度大的制品抵抗因温度梯度产生的剪应力强，因而在使用时不易产生剥落现象，而且耐磨性也相应提高。14耐火材料综述耐火材料的高温使用性质高温荷重变形温度：耐火材料在高温下的荷重变形指标表示它对高温和荷重同时作用的抵抗能力，也表示耐火材料呈现明显塑性变形的软化范围。在一定程度上表明制品在与其使用情况相仿条件下的结构强度。该指标能在较大温度范围内把材料的结构性能明显地表现出来，因而可以对材料作出较全面的估价。15耐火材料综述热震稳定性：耐火材料抵抗温度急剧变化而不破坏的性能称为热震稳定性。耐火材料在使用过程中，经常会受到环境温度的急剧变化作用，比如，盛钢桶衬砖在浇注过程中，转炉、平炉或电炉等炼钢时的加料、出钢或操作过程中炉温变化等，导致制品产生裂纹，剥落甚至崩溃，此种破坏作用不仅限制了制品和窑炉的加热和冷却速度，限制窑炉操作的强化，并是制品、窑炉损坏较快的主要原因，因此耐火材料的热震稳定性是考察耐火材料质量的指标。16耐火材料综述抗渣性耐火材料在高温下抵抗熔渣侵蚀作用而不破坏的能力成为抗渣性。这里的熔渣的概念（广义上讲）是指高温下与耐火材料相接触的冶金炉渣、燃料灰分、飞尘、各种材料和气态物质。熔渣侵蚀是耐火材料在使用过程中最常见的损坏形式，如各炼钢炉衬、钢包内衬、炼铁高炉内衬等等多是由此种作用引起，耐火材料的抗渣性具有非常重要的意义。17目录耐火材料综述耐火材料的分类炼钢用耐材现状炼钢用耐材发展趋势18耐火材料分类根据耐火度普通耐火制品（1580℃~1770℃）高级耐火制品（1770℃~2000℃）特级耐火制品（2000℃以上）根据形状和尺寸标准型砖、异型砖、特异性砖、大异型砖、以及实验室和工业用坩埚、皿、管等特殊制品。19耐火材料分类按生产工艺分定型制品不定型制品按化学特性酸性耐火材料中性耐火材料碱性耐火材料特殊场合的耐火材料20耐火材料分类酸性耐火材料以氧化硅为主要成分，常用的有硅砖和粘土砖。硅砖是含氧化硅93％以上的硅质制品，使用的原料有硅石、废硅砖等，其抗酸性炉渣侵蚀能力强，荷重软化温度高，重复煅烧后体积不收缩，甚至略有膨胀；但其易受碱性渣的侵蚀，抗热振性差。硅砖主要用于焦炉、玻璃熔窑、酸性炼钢炉等热工设备。粘土砖以耐火粘土为主要原料，含有30％～46％的氧化铝，属弱酸性耐火材料，抗热振性好，对酸性炉渣有抗蚀性，应用广泛。21耐火材料分类中性耐火材料以氧化铝、氧化铬或碳为主要成分。含氧化铝95％以上的刚玉制品是一种用途较广的优质耐火材料。以氧化铬为主要成分的铬砖对钢渣的耐蚀性好，但抗热振性较差，高温荷重变形温度较低。碳质耐火材料有碳砖、石墨制品和碳化硅质制品，其热膨胀系数很低，导热性高，耐热振性能好，高温强度高，抗酸碱和盐的侵蚀，不受金属和熔渣的润湿，质轻。广泛用作高温炉衬材料，也用作石油、化工的高压釜内衬。22耐火材料分类碱性耐火材料以氧化镁、氧化钙为主要成分，常用的是镁砖。含氧化镁80％～85％以上的镁砖，对碱性渣和铁渣有很好的抵抗性，耐火度比粘土砖和硅砖高。主要用于平炉、吹氧转炉、电炉、有色金属冶炼设备以及一些高温设备上。23耐火材料分类特殊场合应用的耐火材料有高温氧化物材料，如氧化铝、氧化镧、氧化铍、氧化钙、氧化锆等，难熔化合物材料，如碳化物、氮化物、硼化物、硅化物和硫化物等；高温复合材料，主要有金属陶瓷、高温无机涂层和纤维增强陶瓷等。24目录耐火材料综述耐火材料的分类炼钢用耐材现状连铸用耐材对钢水质量的影响及改进方向炼钢用耐材发展趋势25炼钢用耐材现状钢包用耐火材料我国钢包衬的演变过程为：烧成制品方面由粘土砖、叶腊石砖发展到现在的高铝砖（高Al2O3）、铝镁碳砖、镁碳砖、无碳砖。不定型材料方面由投射料、捣打料向使用铝镁浇注料、铝镁尖晶石浇注料方向发展。26炼钢用耐材现状钢包用耐火材料目前，三炼钢钢包工作层选用的是铝镁碳砖和镁碳砖综合砌筑工艺，包壁和包身部位采用铝镁碳砖，渣线部位为镁碳砖，永久层采用高铝浇注料，保温层为耐火纤维板。目前使用综合寿命在65次左右，中间经过一次小修，小修过程主要是更换钢包包底工作层耐材和底吹砖及水口座砖，小修使用寿命32炉左右。27炼钢用耐材现状钢包用耐火材料三炼钢为精炼低碳钢，目前正在精炼钢包渣线以下部位试用无碳砖，使用寿命在80次以上。根据相关报道，宝钢使用的铝镁浇注料可得到250次，日本的同类产品使用寿命在400次左右。28炼钢用耐材现状中间包内衬由直接用粘土砖或高铝砖作永久衬和使用绝热板作内衬，向使用涂料作包衬发展。绝热板使用最多的为硅质绝热板，此种方式在国内已基本淘汰，目前使用较多的是使用浇注料浇注永久衬，使用镁质涂抹料、镁钙质涂抹料及干式料作为工作衬。近几年碱性工作衬发展较快。29炼钢用耐材现状滑动水口方面目前国内的钢包滑动水口、中间包滑动水口应用较广泛，前者为二层式滑动水口，后者是三层式滑动水口。在国内滑动水口的滑板材质主要为铝碳质，使用寿命为1次，少数钢厂使用铝碳质或铝锆碳质，使用寿命可达2-3次，高的可达到7-8次。钢包滑动水口位于钢包的外部，起钢水流量的控制调节作用，它不受钢水搅拌，熔剂喷入和钢水停留时间的影响，且操作方便。30炼钢用耐材现状整体塞棒目前国内整体塞棒的材质主要为铝碳质，使用量较大。存在问题是在某些钢厂使用断棒率较高，塞头不耐侵蚀，还有待于进一步改进提高。在国内还有组合型塞棒，其头部为铝锆碳质，棒身为加有莫来石、红柱石、兰晶石和硅线石等的高铝质材料，这种塞棒耐侵蚀性好，抗热震性强，能满足连铸生产要求。31炼钢用耐材现状长水口在国内，长水口主要有熔融石英质和铝碳质两大类，使用寿命4-6炉。长水口存在的问题在其颈部，在使用中因长时间受震动易断落，而且耐侵蚀也较差。32炼钢用耐材现状浸入式水口国内浸入式水口的材质与长水口类似，在国内，除了已有的普通型浸入式水口外，目前已有复合锆碳层的铝碳质浸入式水口，复合锆质的熔融石英质浸入式水口，还有带有狭缝的吹气型浸入式水口。浸入式水口使用寿命一般为4-6炉，最大通钢量达1800吨左右。33炼钢用耐材现状钢包供气元件目前国内钢包用供气元件主要有弥散型、狭缝型和直通孔型三种，其材质主要为刚玉质和铝镁质等。钢厂要求供气元件的使用寿命与钢包同步，吹开率大于80%。一炼钢透气率在95%左右。34炼钢用耐材现状转炉炉衬材料

氧气顶吹转炉在一个炉役期间炼钢的炉数称为炉龄，或称为炉衬的使用寿命。其耐火工作衬材质主要为MgO-C砖。提高炉龄对于保证转炉吹炼座数，提高劳动生产率，降低耐火材料消耗，改善钢的质量，降低成本以及充分发挥顶吹转炉优越性等都具有重要的意义。但单纯的追求高炉龄，会减少生产量，同时增加能耗，也是不经济的。35目录耐火材料综述耐火材料的分类炼钢用耐材现状连铸用耐材对钢水质量的影响及改进方向炼钢用耐材发展趋势36综述近年来钢材性能的要求越来越高。钢材的洁净度越高,其性能越好。钢中杂质含量达到一定水平时,钢材的性能将发生质变。钢中氧、硫、磷、氢、氮五大元素的含量应尽量低。目前,国内外先进流程生产的纯净钢(IF钢汽车板和管线钢等)中的有害元素[C、S、P、N、H、T.O]之和可控制在100×10-6以下。而与钢水直接接触的耐火材料可能会对钢水质量产生影响，对所用耐火材料进行研究和合理选择是很重要的。连铸用耐材对钢水质量的影响及改进方向37连铸用耐材对钢水质量的影响及改进方向耐火材料与钢水中碳的关系对于低碳钢与超低碳钢来讲,要求碳含量尽量低。根据计算,钢包渣线使用镁碳砖,可导致钢水增碳(1～2)×10-6,使用铝碳质长水口,可导致钢水增碳(1～2)×10-6,使用铝碳质浸入式水口,可导致钢水增碳3×10-6。耐火材料的碳含量显著地影响钢水的增碳行为。研究表明,镁碳质、锆碳质、铝碳质耐火材料使钢水增碳的机理是一样的。主要受到碳的直接溶解机制、渗透-溶解机制控制。由于存在碳的浓度差，碳溶解进入钢水，钢水的碳升高。另外，耐火材料的增碳作用与钢水状况、耐火材料种类及抗氧化剂种类等许多因素有关。38连铸用耐材对钢水质量的影响及改进方向耐火材料与钢中氧的关系通常用钢水中的T[O]含量来衡量钢水中氧化物质夹杂多少的指标。由于大多数耐火材料为氧化物,因此,耐火材料对钢水中氧含量有很大影响,但耐火材料向钢液中传氧取决于钢液的脱氧程度以及所用的耐火材料的种类和组成。越稳定的氧化物越不容易使钢水增氧,氧势越高的耐火材料越易增氧,随着耐火材料由碱性—中性—酸性的变化,耐火材料的氧势指数增大。通过氧势分析,碱性氧化物如CaO、ZrO2使钢水增氧很少,而酸性氧化物如SiO2、Cr2O3容易使钢水增氧。39连铸用耐材对钢水质量的影响及改进方向耐火材料与钢中硫的关系硫是钢中重要的有害元素,它的存在易造成钢的“热脆”,钢液中脱硫反应为:[S]+(CaO)=(CaS)+[O]式中[

]表示金属熔体相,(

)表示熔渣相。由反应式可知,要降低硫含量,必须提高CaO含量,并且钢液中溶解的氧含量应尽可能低,要达到这一目的,一是采用强脱氧剂如铝、钙合金等深脱氧,二是选用氧势低的耐火材料,如钙质、锆质、镁钙质、锆钙质或镁铝类晶石质材料,以利于脱硫。40连铸用耐材对钢水质量的影响及改进方向耐火材料与钢中磷的关系钢中磷过高,在凝固时产生严重偏析而致产品脆裂—“冷脆”。钢液脱磷反应式：

2[P]+5[O]+3(O2-)=(PO43-)

式中[

]表示金属熔体相,(

)表示熔渣相。一般钢要求磷含量小于0.035%,对低温韧性要求高的钢种要求磷在0.005%以下。精炼高温及低氧量均不利于脱磷,对于耐火材料来讲,高的CaO含量(碱度)对脱磷有利,有研究表明,CaO的脱磷效果优于MgO。采用磷酸盐作结合剂的耐火材料可能造成钢水回磷。41连铸用耐材对钢水质量的影响及改进方向耐火材料与钢中氮的关系钢中氮对冷轧板的深冲性能影响极大,钢中氮含量高将导致钢的时效硬化,硬度增大而延展性变差,降低钢中氮含量一是转炉低氮冶炼,控制终点氮量,但关键是防止钢水的二次氧化增氮,对板坯连铸来讲,最大的增氮量发生在钢包与中间包之间。因此,保护套管处的密封对改善钢水的纯净度和防止堵塞非常重要。传统耐火材料中氮含量是很低的,近年来氮化物在耐火材料中的应用受到关注,氮化物如SiAlON

的分解可能对钢水造成增氮。42连铸用耐材对钢水质量的影响及改进方向耐火材料与钢中氢的关系氢会使钢中出现“白点”,引起氢脆。耐火材料对钢中氢含量的影响主要来源于两个方面:一是耐火材料中残余的水分,如中间包喷涂料、浇注料等,二是耐火材料中使用的树脂或沥青等有机结合剂。因此充分干燥和烘烤耐火材料,对连铸用耐火材料来说是降低钢中增氢的重要手段。43连铸用耐材对钢水质量的影响及改进方向耐火材料改进方向综上所述,耐火材料对钢水洁净度的影响很明显。针对耐火材料对钢水纯净度的影响,耐火材料的选择应集中以下方面:(1)使用碱性耐火材料,尤其是CaO质耐材;(2)无碳和超低碳耐火材料;(3)无氧化硅和低氧化硅耐火材料;(4)功能化、长寿命化发展。44目录耐火材料综述耐火材料的分类炼钢用耐材现状连铸用耐材对钢水质量的影响及改进方向炼钢用耐材发展趋势45新一代钢铁制造流程炼铁炼钢-精炼-连铸短流程轧钢熔融还原直接还原液态低温炼铁（下一代高炉技术）转炉电炉直接轧制、无初轧轧制、铸-轧（薄板坯连铸、薄带连铸）辅以外场作用46现代冶金技术的重要特征47炼钢用耐材发展趋势

现代钢铁生产优化速度快，涉及面广，与各行各业及多学科结合紧密，可持续发展性日益受到重视。概括起来讲，其主要特点是更加快速高效、紧凑连续、优质低耗、可控顺行及可持续发展。炼钢生产在这种发展和优化中，起到了核心与推动的作用，这里仅就炼钢生产特点作一概述。48炼钢用耐材发展趋势(1)更加快速高效快速高效主要反映在：①从冶炼、精炼到凝固成型各个环节生产速度加快；②设备大型化趋势明显，而且多功能组合优化；③节奏缓慢的平炉、模铸、电炉三段式冶炼的工艺与装备逐渐被淘汰。这其中，连铸生产的高效化是带动炼钢生产更加快速高效的核心。49炼钢用耐材发展趋势(2)更加紧凑连续钢铁生产流程的连续化，并朝紧凑型流程发展，也是加快高效的重要体现。连铸生产优化同样起到了关键的作用，尤其是近终形连铸技术（优质、高速、高连浇率、高作业率的高效连铸技术发展的最高档次）奠定了紧凑型流程的基础。还应指出的是：以铁水预处理和钢水精炼（直至中间包、结晶器冶金）成为新流程重要组成部分的优化组合，推动了流程紧凑连续的发展。50炼钢用耐材发展趋势(3)更加优质低耗快速高效、紧凑连续本身就是促进炼钢生产优质低耗的重要因素。连铸比模铸大大节约了能耗和各种原材料的消耗，大大提高了钢铁产品的质量已是众所周知的事实。而连铸生产对工艺稳定，质量优化日益严格的要求又推动了以铁水预处理、钢水精炼为核心的洁净钢、纯净钢生产技术的飞速发展，并且对各种原材料都提出了不污染钢水，甚至进一步净化钢质的新要求51炼钢用耐材发展趋势(4)更加可控顺行高速、连续、优质的炼钢生产必须要求全生产过程大大提高自动控制的水平，并朝着智能型的方向发展，高速、连续、优质的生产特点又确定了新型炼钢生产必须流畅、顺行、稳定，并且基本无事故。这些高档次的生产要求，不仅需要先进优化的新工艺来保证，还需要完善的检测、控制设备与现代信息技术的支撑及其有优化功能的各种新型耐火材料的保证。52炼钢用耐材发展趋势(5)实现可持续发展