【摘 要】随着经济的发展与生活水平的改善，人们对钢材质量的要求也越来越高，如何能够冶炼出更高纯度的洁净钢，已经成了冶金行业技术人员所研究的重点。经过反复尝试和研究发现，耐火材料在洁净钢的冶炼中起到了十分重要的作用。本文针对冶炼过程中耐火材料对钢中包含的化学物质以及杂物的影响进行研究，从而分析出耐火材料在洁净钢冶炼中的作用。
【关键词】耐火材料；洁净钢；钢水；洁净度；影响
耐火材料是耐火度不低于1580℃的无机非金属材料，其在钢铁、玻璃、机械、水泥、有色金属等工业中的应用，促进了高温工业的不断发展。但耐火材料存在着构成成分、作用、品种单一的缺陷，急需开发新的功能。而根据最近的研究发现，耐火材料在洁净钢的冶炼中起到了重要作用，这是其新功能的一大发现。钢水中主要含有碳、氢、氧、硫、磷以及一些杂物，这一发现主要是根据耐火材料与钢水中的主要物质进行反应来判断钢水的洁净度。
一、耐火材料对钢水中氧元素总含量的影响
钢中氧含量的多少对钢质量的高低起到了决定性的作用、在实验进行之前，首先要对耐火材料的化学组成进行分析，分析如下表。
通过实验可以发现，耐火材料的主要化学成分主要是氧化物，因此会对钢水中氧的总含量产生很明显的影响，即在实验中，耐火材料会向钢水输出氧元素。而要避免这一情况发生，就必须使得耐火材料中的氧含量少于钢水中的氧含量。要对钢水进行脱氧时可以使用硅，其脱氧产生的物质排除速度根据坩埚的材质决定，按照一下顺序逐渐加快：SiO2、MgO、Al2O3、CaO+CaF2，因此可以使用与脱氧产物的亲和力强的材料作为包衬材料，从而提高脱氧速度。
二、耐火材料对钢水中硫元素总含量的影响
用MgO-CaO材质的坩埚来对CaO含量以及冶炼的时间对MgO-CaO材质的浇注料对铁水脱硫效果影响加以研究，可以得出，当CaO和MgO都存在时，MgO-CaO材质的浇注料对铁水中的硫元素具有很强的吸附效果。当要让MgO-CaO材质的浇注料拥有较强的吸附硫元素的效果，需要提升其中的Ca含量，冶炼时间增加时，样铁中的硫含量起伏较大，先升高再降低。用相关原理解释这一起伏不定的现象就是：冶炼的时间较短会导致样铁中的硫元素和坩埚包衬里面的CaO的扩散速度变快，这是CaO与S产生化学反应，导致样铁中的硫元素含量下降，因此脱硫率变高。当冶炼时间延长时，硫元素含量减少，这时候的CaS已经饱和，很难再发生反应，因此S含量最小。而再进一步加长冶炼时间，会出现回硫的现象，使得样铁中硫元素含量再次增加。
由于耐火材料对钢水中的氧含量具有显著影响，那么其对硫的反应过程和结果也产生有较大的影响。通过在三个包衬不同的钢包里面吹入CaSi，可以得出如下图所示的结果。
通过图示可以看出，当每吨钢水中吹入2kg CaSi进行脱硫反应并趋于平衡之后,在粘土质钢包中脱硫率可以达到60%～70%,在白云石钢包中可以达到80%或更高，而在硅质钢包中可获得50%～60%。因此为了让脱硫效果达到最佳，应当选择白云石质的碱性钢包，一方面可以避免强还原条件下耐火材料的消耗与浪费，另一方面也可以使包衬的再氧化能力下降。
三、耐火材料对钢水中磷元素总含量的影响
在实际案例中，对金属冶炼里面的磷含量产生积极反映的主要是MgO、CaO两种化合物。在实验过程中，MgO 的脱磷效果比CaO要小得多，几乎可以忽略不计。设定钢温度在1873K，通过热力学知识计算可以得到如下公式：
其中：[P]Ca是在炼钢温度下,铁水与Ca4P2O9-CaO系平衡的磷含量。[P]Mg是在炼钢温度下,铁水与Mg2P2O8-MgO 系平衡的磷含量。
由此可以推断出，从热力学的观点来说，同量MgO 的脱磷效果比同量CaO要差太多。通过在MgO-CaO材质的浇注料中CaO含量对钢水中磷的含量进行研究与分析，可以发现当浇注料中含有25%的CaO时，钢水中的磷含量大幅度降低，而继续增加CaO的含量，其影响已经不大。由此可以得知，要使钢水脱磷效果达到预期，可以加入25%左右的CaO。
而钢包的材质也对钢水中的磷含量有所影响，根据研究结果，在使用碱性钢包时不会出现回磷现象，而使用黏土质钢包时，回磷效果明显，因为黏土质中含有SiO2，在熔入炉渣之后会造成炉渣的碱度降低。
四、耐火材料对钢水中碳元素总含量的影响
在同样的实验条件下，对耐火材料中的碳含量以及事先预热过的镁质耐火材料在与钢水反应过程时，对其中碳元素含量的影响进行研究。研究结果显示，耐火材料中的碳含量对钢水有着很明显的增碳效果。而在预热处理之后的耐火材料表面，碳元素与空气中的氧发生反应之后生成二氧化碳脱碳，因此对钢水中的碳元素含量增加不显著。
五、耐火材料对钢水中杂物的影响
钢水中含有一定的夹杂物质，因此耐火材料也会与这些物质发生一定的反应。实验发现，耐火材料中含有的某一种成分与夹杂物质反应时会得到氧化物，而这些氧化物一般都为复合物。例如钢水中产生的Al2O3包衬为白云石质时会发生化学反应，从而在包衬的内壁上形成铝酸盐等杂物，由于其酸性会使得包衬受到侵蚀。要使钢水中的夹杂物质与耐火材料尽可能少发生反应，减少SiO2以降低钢水中的杂质，其化学式为：
也可以在生产过程中使用过滤器、挡渣堰等装置来去除杂质，使得中间包里面的钢水停留时间延长，让杂物之间形成撞击而产生凝固并上浮，从而保证钢水的洁净度。
结束语：
耐火材料不仅可以担负起冶炼的重任, 而且还可以起到净化钢水的作用。耐火材料对钢水中的氧元素和硫元素的含量有显著的影响，因此在选择耐火材料时应以碱性耐火材料为主，而碱性的耐火材料对磷元素也有所影响，可以加快脱磷速度，并且有效抑制回磷量，保证钢水的洁净度。在冶炼过程中，还要对耐火材料中的碳元素、氢元素进行抑制，可以通过事先预热或是将同一耐火材料加以反复使用，这样可以达到脱碳与吸氢的目的，在中间包内设置相应的耐火材料设施, 有利于钢水中夹杂物的净化去除。
参考文献：
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论文作者:宋国敬
论文发表刊物:《低碳地产》2016年8月第16期
论文发表时间:2016/11/11
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