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钢铁冶金用耐火材料——刚玉质耐火材料

发布日期:2022-08-10 09:33:07

在钢铁冶金工业中,耐火材料是不可或缺的基础材料。耐火材料一般是指耐火度不低于1580℃的无机非金属材料或者制品,主要用于炼铁工业的高炉、转炉、焦炉,炼钢行业的转炉、二次精炼炉、连铸等,还用于水泥窑以及玻璃、有色金属的窑炉等。在钢铁冶炼的过程中,耐火材料既要起到盛放铁水和钢水的容器作用,保证生产效率和使用寿命;又需要保证质量稳定不污染钢水。近年来,随着航空航天技术以及汽车、微电子等行业对于钢铁的强度、韧性和加工等性能提出日益严格的要求,对于钢铁冶炼过程中使用的耐火材料的要求也随之提高。

  在整个钢铁冶炼过程中,需要使用性能优异的耐火材料,以避免铁水或者钢水的侵蚀造成耐火材料对于钢铁非金属夹杂物或者有害元素O、P、S、N、H的污染。同时,需要采用环保的原料经过合理优化的设计,得到无污染、性能优越、经济效益好和长寿的耐火材料,在提高生产效率和经济效益的同时,满足绿色环保的要求。

  刚玉(Al2O3)具备优越的性能,且对环境无毒害污染,广泛应用于耐火材料中Al2O3是一种两性化合物,密度为3.94.0g/cm3,熔点为2050℃,沸点为2980℃,其硬度仅次于金刚石;Al2O3的具有多种晶型,α-Al2O3是所有氧化铝晶体形态中最稳定的晶型,属于刚玉型结构,三方晶系R-3C空间群,单胞是一个尖的菱面体。该结构具有六方最密堆积的氧原子层,氧原子八面体空隙的2/3被金属铝原子填充。铝原子被六个氧原子包围,形成八面体的六配位型。

  刚玉晶体属于离子晶体,离子键力比较强。刚玉硬度高,导热性能好,尤其是低温时导热性能更佳。介电常数小,绝缘电阻高。具有很好的透光性,是一种优良的光学晶体材料。其化学性能稳定,在常温下不受酸碱腐蚀,不溶于水。不同金属对刚玉的浸润程度相差较大,铅、锌、铝、铜以及某些铁合金润湿角大于90°,与铁锰合金、铁铬合金、以及某些钛合金润湿角小于90°。但刚玉可与渣、玻璃、耐火材料等材料中的氧化物相互作用,形成化合物,因此刚玉材料容易被渣侵蚀。刚玉还存在断裂强度低、抗热展性能差、抗蠕变性能差等缺点,限制了其应用。

  为改善Al2O3耐火材料的缺点,人们在Al2O3耐火材料中添加结合相或者原位合成增强相,制备出刚玉复合耐火材料。在上个世纪发展出了种类繁多的氧化物增强刚玉耐火材料,包括Al2O3-Cr2O3耐火材料、Al2O3-MgO耐火材料、Al2O3-ZrO2耐火材料等氧化物复合的耐火材料。但氧化物结合相存在热膨胀系数较大、抗侵蚀性能较差的缺点,逐渐不能满足日益增长的工业技术需求。C可改善Al2O3耐火材料的热震稳定性以及抗侵蚀性,人们将C添加到Al2O3耐火材料中,发展出Al2O3-C耐火材料,现今Al2O3-C耐火材料广泛应用于钢铁冶炼领域。

  但是C在使用过程中存在易被氧化的问题,并且含碳材料的使用会造成钢水的增碳,不能满足现代洁净钢技术的生产要求。随着陶瓷领域中的非氧化物如Si3N4、SiC的研究发展,尤其是1970年代Si-Al-O-N与Al-O-N体系中AlON与SiAlON的出现,非氧化物结合逐渐应用到Al2O3耐火材料中,发展出Al2O3-Si3N4耐火材料,Al2O3-SiC耐火材料,以及Al2O3-SiAlON耐火材料等。

  随着金属陶瓷技术的出现,人们发现少量金属在脆性的无机陶瓷或者耐火材料中,可起到改善脆性和微观结构的作用人们将金属Al和Si添加到Al2O3耐火材料中,通过反应烧结原位合成SiAlON增强相,并且少量或者微量的残余金属可改善材料的脆性或抗氧化性等等性能,因此发展出新型的性能优良的金属-非氧化物-氧化物耐火材料。金属与非氧化物结合的刚玉耐火材料将具备很大的应用潜能。氮化硅铁中含有Si3N4和Fe-Si金属间化合物,因此将氮化硅铁引入到刚玉耐火材料中可制备出金属-非氧化物-氧化物耐火材料,具有较大的理论和实际意义。


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