FactSage热力学计算在耐火材料抗渣侵蚀性中的应用

商用热力学计算软件FactSage在耐火材料抗渣侵蚀性研究中起到重要作用,因此在耐火材料研究中应用越来越广泛。本文总结了近15年来热力学计算在耐火材料抗渣侵蚀性研究中的应用,重点介绍了耐火材料抗渣侵蚀研究中常用的热力学计算模型,分析了各种模型的原理、特点、适用情景、精确度与局限性,并给出了详细的运用实例。此外,本文介绍了热力学计算与其他方法相结合运用的实例,包含ANSYS、动力学分析、分子动力学模拟等方法,规避热力学计算的局限性,更加全面地分析熔渣对耐火材料的侵蚀行为。最后,本文对热力学计算存在的问题进行了归纳,并基于现有研究现状对其发展前景与方向进行了展望。

Al_(2)O_(3)-SiC-C质炮泥侵蚀过程热力学计算及抗渣性分析

炮泥抗侵蚀性能不足会导致高炉出铁时间过短或炉前喷溅等问题,而炮泥所处不可视的“黑盒子”类服役环境,使得炮泥的侵蚀过程难以剖析。针对目前炮泥侵蚀过程模糊的问题,采用FactSage热力学软件计算了1450℃时熔渣对Al_(2)O_(3)-SiC-C质炮泥的侵蚀过程,并利用动态抗渣试验分析了熔渣对其侵蚀不同时间后(侵蚀时间分别为0、8、16、24和32 min)的侵蚀情况。结果表明:在渣对炮泥的侵蚀过程中首先形成钙长石侵蚀物相,继而在Al_(2)O_(3)饱和的液相析出Al_(2)O_(3),形成Al_(2)O_(3)隔离层,进一步侵蚀后炮泥和渣在侵蚀界面形成钙铝黄长石,最终形成的侵蚀物相均会完全向液相溶解;抗渣试验结果与热力学计算结果相符,渣对炮泥的侵蚀中生成的液相和低熔点物相降低了炮泥试样的临界强度,从而导致侵蚀速率加快,侵蚀时间为32 min时,炮泥试样被渣完全侵蚀破坏。

Al_(2) O_(3)-MgAl_(2) O_(4)复相骨料对刚玉-尖晶石浇注料抗渣性能的影响

为研究Al_(2)O_(3)-MgAl_(2)O_(4)复相骨料对刚玉-尖晶石浇注料抗渣性能的影响,在基质中添加与不添加尖晶石细粉的2种情况下,分别以板状刚玉骨料和Al_(2)O_(3)-MgAl_(2)O_(4)复相骨料制备了刚玉-尖晶石浇注料。先利用FactSage反应热力学软件计算了1600℃时板状刚玉和Al_(2)O_(3)-MgAl_(2)O_(4)复相骨料与熔渣之间的反应热力学,并采用浸泡法研究了2种骨料的抗渣性能,再采用静态坩埚法研究了2种骨料对浇注料抗渣性能的影响。结果表明:与板状刚玉骨料相比,Al_(2)O_(3)-MgAl_(2)O_(4)复相骨料侵蚀层中的裂纹细而少,遭受熔渣侵蚀后不易剥落,其过渡层中既有CA 6相也有尖晶石相,而且尖晶石相中固溶有Fe、Mn元素,该骨料不仅通过形成CA 6层来阻挡熔渣侵蚀,而且通过尖晶石吸收熔渣中FeO、MnO等物质而降低熔渣的黏度,进而起到抵抗熔渣侵蚀的作用。由Al_(2)O_(3)-MgAl_(2)O_(4)复相骨料替代板状刚玉骨料,浇注料试样的侵蚀和渗透面积百分率均有所降低,尤其在基质和骨料中同时引入尖晶石可更加有效地提高刚玉-尖晶石浇注料的抗渣性能。

CA_(6)细粉加入量对钢包永久衬用Al_(2)O_(3)-CaO系隔热浇注料抗渣性能的影响

为提高钢包周转过程中的保温性能,钢水冶炼过程常使用保温隔热材料以适应连铸钢水温度的变化,满足炉外精炼和连铸工艺需求。本文选用六铝酸钙(CA6)、97电熔镁砂、氧化铝微粉、白刚玉等为原料,纯铝酸盐水泥为主要结合剂,加入PC60减水剂和有机纤维,制备出用于钢包永久衬的隔热浇注料。探究了CA_(6)细粉加入量对隔热浇注料抗渣性能的影响。试验结果表明:1100℃煅烧后主要有颗粒状的CA_(2)生成,同时在基质内有大量片状的CA_(6);当煅烧温度升至1500℃,试样中的CA_(2)完全转化成了CA_(6),在试样内部仅检测出Al2O3和CA_(6)的特征峰;随着CA_(6)加入量的增加,试样的常温抗折强度和耐压强度呈现先上升后下降的趋势;同时,试样的导热系数呈现下降的趋势;当添加质量分数为10%CA_(6)时,试样的抗渣侵蚀性能较佳。

RH真空炉衬用无铬耐火材料抗渣性能的研究

对镁锆质、镁尖晶石质、镁尖晶石钛质和镁尖晶石锆质4种典型的无铬耐火材料的抗渣侵蚀性能进行了研究,并与RH真空炉下部槽用镁铬砖进行了对比。结果表明:炉渣对耐火材料的侵蚀主要是通过炉渣中铁氧化物、CaO、SiO2和MnO向材料内部扩散而产生的侵蚀反应造成的。镁锆质材料中的ZrO2吸收炉渣中的CaO生成高耐火性能的CaO.ZrO,使镁锆材料较其他3种MgO基无铬耐火材料具有更优良的抗炉渣侵蚀性。

氮化硅对刚玉质高炉喷补料抗渣性能的影响

以板状刚玉为原料,纯铝酸钙水泥和SiO2微粉为结合剂,制成刚玉质高炉喷补料的坩埚试样,然后在还原气氛中于1550℃3h进行抗高炉渣的侵蚀试验,研究了氮化硅加入量(分别为0、5%和10%)对刚玉质高炉喷补料的抗渣侵蚀性能的影响,通过对侵蚀试样的微观分析,得出了渣侵蚀机理。结果表明:刚玉喷补料中不加氮化硅时,渣很容易侵蚀喷补料,而加入5%和10%的氮化硅后,改善了喷补料的抗渣渗透性,大大提高了其抗渣能力;氮化硅在喷补料基质中呈网状结构,这也是提高喷补料抗渣侵蚀能力的主要原因。

铜冶金用镁铬耐火材料抗渣性的研究现状

这是一篇冶金陶瓷材料领域的论文。镁铬质耐火材料由于具有优异的高温强度和抗渣性,并且具有良好的使用性能,被广泛应用于炼铜工业。本文从理论上综述了铜冶金用镁铬耐火材料侵蚀机理的研究现状,并明晰了炉渣温度、原料物性如品位和Cr_2O_(3)的含量以及添加剂因素影响镁铬耐火材料抗渣性的作用机制,最后依据研究现状总结了提高镁铬耐火材料服役寿命的主要途径,为未来镁铬耐火材料的结构设计和性能调控提供指导与帮助。

Al_2O_3-Cr_2O_3砖显微结构对抗渣性能的影响

分别采用静态坩埚抗渣法和回转抗渣法,对w(Cr2O3)=10%的A和B两种Al2O3-Cr2O3砖进行了抗渣性能对比。结果发现:两种砖的化学组成、显气孔率、体积密度和抗热震性相近,B砖强度优于A砖的。但由于与B砖相比,A砖内部气孔尺寸更小,所用电熔白刚玉骨料形貌平滑,较为致密,粒度呈连续式分布,且A砖中Al2O3-Cr2O3固溶体发育较小,相互交错,形成了孔隙较小的空间网状结构,这种显微结构显著降低了熔渣对耐火材料的渗透和破坏,使A砖的抗渣性优于B砖的。因此,制备微气孔化结构的制品是提高Al2O3-Cr2O3材料抗渣性能的有效途径。

熔分炉耐火砖动态抗渣试验研究

针对熔分炉耐火炉衬在使用过程中侵蚀过快的现状,开展了镁碳砖系列(高碳、中碳、低碳)、铝碳化硅碳砖、镁砖、碳砖、奥尔砖、镁铬砖、碳化硅砖等的动态抗渣侵蚀试验,结果表明在熔分炉的冶炼条件下镁碳砖系列优于其它品种耐火砖,而镁碳砖系列中高碳镁碳砖更符合熔分炉的冶炼要求。

金属氮化物结合刚玉质滑板抗渣性研究

对Al AlN Al2O3滑板与Al2O3 C滑板在1 600 ℃×3 h及1 650 ℃×3 h条件下,进行了坩埚法抗钢渣侵蚀实验。抗渣试验表明:Al AlN Al2O3滑板试样较之Al2O3 C滑板试样具有更优良的抗渣侵蚀能力。其原因可归于Al AlN Al2O3滑板的致密组织结构及金属Al和AlN的有益作用。AlN难以被钢渣润湿,可减缓钢渣的侵蚀和渗透;AlN的结合密实作用可阻碍金属铝的熔出。金属 Al高温下氧化形成Al2O3,刚玉与熔渣中的MgO反应形成Al2O3 MgO尖晶石,均使熔渣粘度及反应层致密度提高,因此提高了Al AlN Al2O3滑板的抗渣侵蚀能力。

氮化硅铁对炮泥高温抗折强度及抗渣性的影响

以棕刚玉、碳化硅、沥青及焦炭为主要原料,研究了氮化硅铁加入量为0、4%、8%、12%、16%、20%、24%、28%时对炮泥高温抗折强度的影响及加入量为6%、12%、18%、24%时对炮泥抗高炉炉渣侵蚀的影响。结果表明:氮化硅铁加入量在24%以内时,不能提高炮泥800℃的高温抗折强度,而当氮化硅铁加入量≥12%时,对1000℃以上高温抗折强度的提高效果即已显现,尤其对1400℃的高温抗折强度的提高非常明显;氮化硅铁的加入对炮泥高温抗渣侵蚀性影响不大。

不同组成尖晶石对MgO-尖晶石浇注料抗渣性能的影响

采用静态坩埚法和动态回转法研究了不同组成尖晶石对MgO 尖晶石浇注料抗渣性能的影响 ,并采用扫描电镜和能谱分析测定了渣蚀残样中尖晶石的存在形式和化学组成。结果表明 ,在基质组成相同的情况下 ,添加富铝尖晶石的浇注料在加热过程中可生成较多的原位生成尖晶石 ,原位生成尖晶石吸收渣中Fe2 O3 、CaO能力是合成尖晶石的 3～ 5倍 。

TiN提高镁碳砖抗渣侵蚀机理的研究

以3～1mm、<1mm、<0.088mm的电熔镁砂和<0.15mm的鳞片石墨为原料,热固性酚醛树脂和固体沥青粉为结合剂,制备了无添加剂和加入2%含碳TiN的两种镁碳砖试样。抗渣侵蚀试验结果表明:添加TiN的试样的抗渣性明显好于无添加剂的试样。TiN提高镁碳砖抗渣侵蚀性的主要原因是:反应层中TiN的氧化产物TiO2与渣中的CaO反应生成熔点1970℃的CaTiO3;脱碳层中TiN氧化后形成的TiO2与C、CaO、MgO反应生成CaTiO3、2MgO.TiO2、TiC、Ti(C,N)固溶体等高熔点矿物相,增加了渣的粘度,减轻了渣的渗透,从而提高了镁碳砖的抗渣侵蚀性。

基质对刚玉透气砖抗渣性能的影响

透气砖在使用过程中 ,由于渣的渗透和侵蚀形成变质层 ,在热应力作用下变质层剥落影响使用寿命。研究了不同基质体系对刚玉质透气砖抗渣性的影响 ,并探讨了其抗渣机理。在基质中添加Cr2 O3和尖晶石能显著提高其抗渣性。添加适量尖晶石效果最好 ,其原因是在与渣的反应层表面形成尖晶石致密层 ,阻止了渣的渗透。

SiO_2微粉结合镁质浇注料的基质组成与抗渣性能

借助XRD、SEM和相图分析对SiO2 微粉结合镁质浇注料的基质组成与抗渣性能的关系进行了研究。结果表明 :随着SiO2 微粉加入量的增加 ,镁质浇注料的抗渣渗透性提高 ,因为生成的液相中SiO2 增多 ,粘度提高 ;当SiO2 微粉加入量为3%时 ,可得到较理想的基质 ,此时试样的显气孔率较低 ,组成合理 ,抗侵蚀指数最小 ;SiO2 微粉加入量过小 ,耐火材料中液相出现的温度较低 ;SiO2 微粉加入量过大 。

新一代β-Sialon复合MgAlON耐火材料抗渣及抗钢水性能

通过对β Sialon复合MgAlON材料的抗渣及抗钢水侵蚀性能的研究发现 ,该材料抗渣侵蚀性能较好 ,侵蚀机理为 β Sialon与MgAlON溶解于渣中并析出针状Sialon和近化学计量的镁铝尖晶石 ,同时渣向材料内部渗透。需要说明的是MgA lON在渣中的溶解低于β Sialon的溶解 ;钢水对试样的侵蚀程度较低。分析表明侵蚀过程主要是基质中β Sialon溶解 ,颗粒基本未变化 ,侵蚀后形成了薄薄的主要由尖晶石和Sialon及刚玉构成的反应层。

MgO-SiC-C材料的抗渣性能研究

以电熔镁砂、碳化硅、鳞片石墨（w（C）〉97%）、铝粉（≤0.088mm,w（Al）〉98%）和硅粉（≤0.088mm,w（Si）〉98%）为主要原料,按w（电熔镁砂）=81%,w（SiC）=10%,w（鳞片石墨）=4%,w（铝粉＋硅粉）=5%的组成配料,以酚醛树脂为结合剂,压制成125mm×25mm×25mm的MgO-SiC-C试样,在220℃干燥24h后采用感应炉法进行了抗转炉终渣试验,并对抗渣试验后试样进行了XRD、SEM和EDAX分析。结果发现熔渣对MgO-SiC-C试样的侵蚀和渗透并不显著,试样的侵蚀速率为0.25~0.3mm·h-1;抗渣试验后试样原质层主要组成为MgO、SiC和MgO·Al2O3;在与熔渣接触后,SiC被氧化成SiO2,由此导致在试样和熔渣间形成一高粘度的液相反应层,有效地减轻了试样受熔渣渗透和侵蚀的程度,提高了试样的抗渣能力。

铝镁浇注料的抗渣侵蚀机理

采用静态坩埚法进行了铝镁浇注料的抗渣侵蚀试验 ,从动力学和热力学角度分析了铝镁浇注料的抗渣侵蚀机理。结果表明 :浇注料的熔渣侵蚀过程受化学反应和扩散的混合控制 ;熔渣侵蚀的表观活化能约为 4 2 4 .8kJ·mol- 1;渣中CaO与Al2 O3反应生成高熔点的CA6 ,抑制了熔渣的进一步侵蚀 ;渣中CaO含量的不断降低 ,使熔渣的粘度增大 ,渗透能力降低。

不同碳含量的镁碳砖抗渣侵蚀性能研究

用感应炉浸渍试验法研究低碳镁碳砖和普通镁碳砖对攀枝花钢铁(集团)公司钢包渣的抗侵蚀能力。采用SEM和EDS分析方法研究侵蚀后试样的显微结构及化学组成的变化。结果表明,普通镁碳砖脱碳层厚度是低碳镁碳砖脱碳层厚度的2.4倍,碳氧化后其组织结构疏松,并且生成大量低熔点CMS和CaSiO3。这些低熔点化合物形成连续相渗透于MgO颗粒周围,分解镁砂,使骨料破坏,加速MgO-C砖的损毁。而低碳镁碳砖碳氧化后形成微细化气孔,此微孔中生成的高熔点化合物MA容易过饱和而沉淀,因此增加了固-固直接结合程度,使脱碳层的组织结构较为致密,提高了材料的抗渣侵蚀性能。

电熔镁锆合成料的抗渣性研究

采用坩埚法研究了不同组成的电熔镁锆合成料的抗渣性。结果表明 :镁锆合成料比镁质材料具有更好的抗渣渗透性。随着原始配料中锆英石的增加 ,合成料抗渣渗透性增强。当配料中锆英石配入量超过 8%后 ,合成料的抗渣渗透性改善已不明显。文中还探讨了镁锆合成料抗渣渗透性机理。