新型钢包耐火材料研制及其与渣、钢多相反应机理

随着冶炼水平与钢材质量的不断提高，耐火材料（尤其是钢包精练耐火材料）与渣、钢的作用将成为制约钢材质量的重要环节之一。本课题一方面研究性能优异的新型氮氧化铝镁（镁阿隆）耐火材料的制备，另一方面研究耐火材料与渣钢间相互作用机理。首先利用天然原料与固体废弃物合成性能优异的新型氮氧化铝镁（镁阿隆）耐火材料，并通过控制合成过程工艺参数，获得不同物相、组成与结构的复相耐火材料。分别利用所合成的镁阿隆复合耐火材料以及钢包使用的镁碳砖、镁铝尖晶石砖为钢包炉衬，选用低碳铝镇静钢以及相应的渣系为作用对象，研究耐火材料组成、物相、结构对炉渣组成以及渣钢反应的影响规律。建立侵蚀过程的多相反应动力学模型以及耐火材料侵蚀过程热震断裂模型。为高性能钢包耐火材料的制备与应用、为高纯净钢冶炼过程的工艺控制奠定基础。并促进钢包冶金技术、耐火材料技术以及冶金物理化学学科的协同发展。

本项目利用多种固体废弃物合成了系列新型氮氧化物复相耐火材料，一方面将氮氧化物高技术陶瓷的成就引入到耐火材料中，另一方面大幅度提高了耐火材料的性能，并实现废旧耐火材料的高效利用。. 首先，利用碳热还原氮化方法，以废旧镁碳砖、废旧镁铝尖晶石耐火材料、废旧铁钩料、铁水包耐火材料以及煤矸石等固体废弃物为原料合成了一系列氮氧化物复相耐火材料。采用还原氮化方法，以废弃镁碳砖、废旧冶金滑板砖为原料，通过成份调控，合成了SiAlON/MgAlON复相氮氧化物耐火材料；以废弃镁炭砖与镁铝尖晶石耐火材料为原料合成多种MgAlON复合耐火材料。系统研究了所制备的MgAlON等新型氮氧化物耐火材料的影响因素对性能的作用规律，包括原料组成、气氛与高温烧结工艺对所合成的MgAlON复相耐火材料物相组成、分布、形态的相互关系；揭示了MgAlON复相耐火材料力学性能与其结构、晶体形态、杂质含量的关系，建立了氮氧化物耐火材料抗氧化试验国家标准。. 考虑到冶金渣的黏度与其流动性及组元的扩散系数密切相关，也对耐火材料与炉渣的侵蚀反应、产物及反应物组元的扩散、传质等都有影响，因此，我们系统研究了炉渣黏度与组成、温度等的相互影响规律，建立了多个冶金渣黏度预报模型。.对不同物相、结构的镁阿隆复相耐火材料进行了不同组成炉渣和温度的侵蚀试验研究，讨论了镁阿隆复相耐火材料与炉渣作用过程的化学反应、扩散、传质以及熔蚀与熔化过程耦合规律。. 本项目利用炉渣黏度与其成份的相互关系，建立新型耐火材料动态抗渣试验方法，用耐火材料做测头，在侵蚀测试过程中，试样不断侵蚀进入炉渣，试样半径不断变小，炉渣成份随之变化，炉渣粘度也不断变化，因此炉渣粘度随测头侵蚀量变化而变化。本试验方法的最大优点在于可直接得到试验结果，还可反映侵蚀过程的侵蚀速度，尤其可反映初始侵蚀速度，这是因为试验初期，妒渣成份变化不大，基本反映原成份妒渣的侵蚀速度。. 此外，研究了炉渣温度、组成对不同耐火材料侵蚀速率的影响规律与反应机理及动力学模型。初步建立了耐火材料、炉渣以及多传输与多反应耦合过程动力学模型。. 发表学术论文（SCI收录）7篇，投稿与待出版论文（SCI收录）8篇；获得国家发明专利8项。