基于多场耦合的精炼钢包轻量化耐火材料渣蚀行为研究

The lightweight refractory for refining ladle has become one of the important development directions. It's hardly to ascertain the slag corrosion of refractory just by the existing experiment methods, which is not only associated with the micro-structure of refractory, but also affected by the complex and stringent conditions, such as temperature, flow, stress, and so on. The study on slag corrosion process under multi-field coupling, which is done by developing and improving the slag corrosion process models of lightweight refractory for refining ladle, plays a significantly important part in quality improvement and energy conservation. The porous alumina-magnesia materials are as objects, The effect of the chemistry and mineral composition of porous aggregate, pore parameters and distribution, additive such as MgO/ZrO2 precursor on the materials microstructure, thermal conductivity and porous medium parameters are studied. And then, the multi-field coupled (temperature, flow, and chemical reaction) model of slag corrosion process for lightweight refractory is established, the experimental verification and optimization of dynamic slag corrosion thermal simulation are implemented. With adopting numerical simulation methods, the research on energy transfer, mass transfer and phase composition and distribution in the slag corrosion process of the lightweight refractory under multi-field coupling is taken in order to find out the characteristics of slag corrosion of lightweight refractory based on temperature, flow, and chemical reaction. The forecasting of the phase composition and distribution in the slag corrosion process of lightweight refractory is realized. It provides theoretical direction of ladle lining materials design and development for green-oriented and low energy-consumption metallurgy.

精炼钢包耐火材料轻量化是耐火材料的重要发展方向之一。其蚀损不但与耐火材料微结构有关，也受到钢水温度、钢渣流动、应力等复杂因素的影响，仅凭现行实验手段难以探明。研究多场耦合作用下精炼钢包轻量化耐火材料的渣蚀行为，对于提高钢的品质，节能降耗都具有十分重要的意义。项目以多孔铝镁系材料为对象，研究多孔骨料的化学矿物组成、孔形、孔径及其分布、外加物如MgO/ZrO2前驱体等对材料的微结构和热导率、多孔介质参数的影响。在此基础上，构建轻量化耐火材料渣蚀过程的温度、流动、化学反应协同作用的多场耦合模型，并进行动态渣蚀热模拟实验验证与优化。采用数值模拟方法，研究基于温度-流动-化学反应多场耦合下的轻量化耐火材料与熔渣界面的能质交换规律，探明不同条件下精炼钢包轻量化耐火材料的渣蚀特性，实现轻量化耐火材料渣蚀过程中相组成及其分布的预测，为设计和开发面向绿色、低能耗冶金的精炼钢包耐火材料提供理论指导。

随着高温工业节能降耗的迫切要求，以及耐火材料向资源节约型发展，耐火材料轻量化成为其重要发展方向之一。高温炉如精炼钢包等工作衬直接处于热面的复杂苛刻环境，实现其轻量化和低导热化，且避免过速蚀损、保证服役寿命，对于提高钢的品质，节能降耗都具有十分重要的意义。轻量化耐火材料的渣蚀行为不仅与温度、熔渣运动有关，也受材料微结构的影响，仅凭单一实验手段难以探明。.项目以多孔铝镁系材料为对象，研究多孔骨料的化学矿物组成、气孔参数及其分布、外加物如MgO/ZrO2前驱体等对材料的微结构和热导率、多孔介质参数的影响，建立了多孔骨料和MgO/ZrO2前驱体增强基质的组分或温度-微结构参数-热导率的关系；通过实验测试分析并拟合基于温度的多孔骨料和MgO/ZrO2前驱体增强基质的粘、惯性阻力系数变化关系式，结合多孔介质理论，构建骨料-基质二元结构模型描述材料微结构的影响；项目采用原位反应复合成孔技术，制备了轻量微孔刚玉骨料，其显气孔率低于5%、闭口气孔率高于10%、平均孔径为0.49~0.624μm且孔径分布集中、导热系数和抗渣蚀性能明显优于普通板状刚玉；基于静态和动态渣蚀试验，探明了多孔骨料及其轻量铝镁浇注料与熔渣界面反应机制，获取了轻量化耐火材料渣蚀动力学参数；利用数学分析框架和大涡模拟方法，开展钢包卷渣行为研究，探讨了吹气参数对卷渣临界条件、渣滴的大小与分布的影响，了解了熔渣的运动规律；在此基础上，构建了轻量化耐火材料渣蚀过程的温度、流动、化学反应协同作用的多场耦合模型，并进行实验验证与优化；采用数值模拟方法，研究了多场耦合条件下的轻量化耐火材料与熔渣界面的能质交换规律，探明了不同条件下精炼钢包轻量化耐火材料的渣蚀特性，实现了轻量化耐火材料渣蚀过程中相组成及其分布的预测，为设计和开发面向绿色、低能耗冶金的精炼钢包耐火材料提供理论指导。也可推广应用于其他热工窑炉，有望实现高温窑炉的节能降耗最大化。.项目培养2名博士研究生、1名硕士研究生，在Journal of the American Ceramics Society等公开发表三大索引收录论文8篇、其中SCI收录论文5篇，参加国际会议7次，国内学术交流3次，申请国家发明专利4项，授权国家发明专利2项，1项成果居国际领先水平，荣获奥地利莱奥本矿业大学“Hans Theisbacher”杰出科研成果奖。