真空中频炉用铝镁质干式料残料的分析与研究

真空中频炉用铝镁质干式料残料的分析与研究

50.1000hz中型耳频传感器设备具有高效、节能、低污染、易调整、易控制等优点，广泛应用于装配、铁匠、色泽精炼、精装机生产等领域。1.4。炉衬耐火材料是感应炉最重要的组成部分之一,其应具有足够的烧结强度和良好的抗渣性能、抗热震性能及高温体积稳定性。铝镁质或铝尖晶石质干式料因使用温度高、抗渣性能和抗热震性能优良而广泛用于铸铁、铸钢和特殊钢等的冶炼。但由于中频炉特殊的工作原理、使用环境及国内耐材厂家的重视程度等多方面的原因,该类干式料的制造技术多由美国、法国等知名外企所控制,国内成规模企业并不多见,相关的技术研究也亟待深入。本工作中跟踪了自产铝镁质干式料在某厂10t真空精炼中频炉上的使用全过程,对拆炉后的残料进行了物相组成和显微结构分析,探讨了烧结层和过渡层中各反应新相的形成机制。1真空感应炉产品试验所用铝镁质干式捣打料的主要原料为电熔刚玉(临界粒度5mm)和电熔镁砂(临界粒度1mm),细粉中还添加适量促烧剂,产品中Al2O3和MgO的质量分数分别为86.20%、12.80%。该产品在某厂10t真空感应炉上用于精炼特殊钢,工作温度在1600~1680℃,每炉精炼时间在14~16h,添加Mn、Ni、V、Cr、Si等金属和增碳剂,连续作业,使用26炉后正常下线。拆炉时从炉壁钢液面下方100mm处取得一块干式料残料,见图1。该处原厚135mm,测得其烧结层、过渡层和松散层分别为10、70和55mm(松散层已脱落,为计算得出),还发现烧结层中渗有少量冷钢。对干式料残料的烧结层和过渡层分别取样,测试其体积密度和显气孔率,利用光谱仪测试其化学成分(测试前烧结层中的冷钢已筛除),利用X射线衍射仪分析其物相,利用扫描电镜观察其显微结构,利用能谱仪测定其微区成分。2结果与讨论2.1烧结层的xrd分析干式料残料的化学组成见表1。可知烧结层中含有大量的铁氧化物,还含有一定量的MnO和NiO,而过渡层几乎仍保持原干式料的理论组成。测试烧结层和过渡层的体积密度分别为4.07和2.84g·cm－3,显气孔率分别为7.8%和25.0%,表明烧结层因有冷钢的渗入和显著的烧结反应,其结构显得非常致密,而过渡层未被钢水和熔渣渗透,其主要表现为刚玉和镁砂之间的尖晶石生成反应(会产生体积膨胀),因而结构显得比较疏松。烧结层和过渡层的XRD图谱见图2。可知,烧结层的主要物相为刚玉和固溶有MgO的铁铝尖晶石(Mg0．30Fe0．76)Al1．94O4。推测铁铝尖晶石是在真空还原气氛下炉料带入的铁锈、炭素(来自增碳剂)和刚玉细粉反应生成;过渡层的主要物相为刚玉和尖晶石,未发现方镁石,表明因长时间的高温冶炼,过渡层配料中的镁砂已基本反应完毕。2.2干法料缓冲层的微观形貌干式料烧结层的SEM照片见图3,从图中可以看出:(1)干式料烧结层的主要物相有3种,分别以数字“1、2、3”标出,结合各物相能谱表明:“1”处为刚玉相;“2”处为固溶有MgO的铁铝尖晶石,其化学式为(Mg0．32Fe0．67)Al2．01O4(假设铁元素为Fe2+),与图2显示的物相基本吻合;“3”处为Fe-Ni合金,呈不定形态,以“孤岛”状分布,推测Fe-Ni合金是在铁铝尖晶石形成过程中被卷入其晶格之间的。(2)铁铝尖晶石呈正八面体,紧密排列呈片状分布,紧紧包裹住未熔损完毕的刚玉颗粒。推测铁铝尖晶石的形成机制如下:干式料接触钢液的热端部分,基质中的镁砂基本转化为镁铝尖晶石,并均匀分布在刚玉骨料的周边。与此同时,在干式料的工作温度和还原气氛下,炉料中的液态Fe2O3被还原为液态的FeO,而后FeO侵蚀刚玉,生成铁铝尖晶石。FeO也会与刚玉骨料周边的镁铝尖晶石发生置换反应,生成铁铝尖晶石和氧化镁［5－6］,氧化镁最终固溶在铁铝尖晶石中。在干式料的工作环境下,炉料基本纯净,表面铁锈很少,故烧结层中生成的铁铝尖晶石的绝对量是有限的。认为适量的铁铝尖晶石紧紧包裹住刚玉颗粒,使刚玉由最初的“直接溶解”转为“间接溶解”,有效减缓了其溶解过程;另外,铁铝尖晶石填充在刚玉颗粒之间,大大提高了该处的致密度,使得高温钢水和低熔点渣停留在10mm左右的烧结层中,而很难继续向过渡层渗入,有效提高了干式料使用时的安全性能。干式料过渡层的SEM照片见图4。可知:1)在靠近烧结层端,因温度较高,干式料中的镁砂已全部反应完毕,并沿原来镁砂颗粒的轮廓形成一个内部空洞的尖晶石环(“6”处);2)在远离烧结端,因温度相对较低,干式料中还残存未反应完毕的镁砂颗粒,同样在残存镁砂颗粒的周边,也形成一圈有间隙的尖晶石环(“6”处);3)在靠近烧结层端和远离烧结层端中,某些刚玉颗粒已部分尖晶石化,但残存的刚玉却和尖晶石紧密结合,两物相间不存在间隙(“3”和“5”处)。能谱显示,靠近刚玉端(“5”处)的尖晶石中MgO含量较低(MgO和Al2O3的质量分数分别为20.72%和75.18%),而靠近镁砂端(“6”处)的尖晶石中MgO含量较高(MgO和Al2O3的质量分数分别为23.18%和74.94%)。推测镁砂和刚玉反应生成尖晶石的机制如下:镁砂颗粒在周边存在Al2O3的情况下,由外向内逐步分解,转化为微细的尖晶石晶粒,这由图4(c)可以明显看出;尖晶石晶粒不断往富铝的刚玉方向迁移聚集,将Al2O3固溶于其中,形成富铝尖晶石,并与残存的刚玉紧密结合在一起;随着反应时间的延长,最终在原镁砂颗粒位置形成一个空洞;在迁移的途径中,存在靠近原镁砂位置处尖晶石中的MgO含量较高,而靠近残存刚玉处尖晶石中MgO含量较低的现象。值得一提的是,原位尖晶石形成的同时也会导致原镁砂位置产生空洞,因此在高性能铝镁质干式料的设计中,在保证抗熔损性能不下降的前提下,可考虑适当降低镁砂的加入量,同时尽量以细粉形式加入。3铁铝尖晶石和铁镍合金的晶石(1)铝镁质干式料残料的烧结层很薄,除在还原气氛中低价铁氧化物的侵蚀和金属渗透外,没有明显的渣蚀反应。其主要物相为刚玉、固溶有MgO的铁铝尖晶石和铁镍合金。铁铝尖晶石物相成片状分布,紧紧包裹住刚玉,延缓了