【技术前沿】镁质耐火材料在中间包上的应用

通过在中间包内安装挡墙、坝、湍流控制器、过滤器和透气砖及其组合装置作为控制钢水流动状态的装置，有利于夹杂的去除。上挡墙或者称为挡渣堰，安装部位横跨整个中间包宽度，从钢液面上方延伸至距离中间包底部一定距离，可以让钢水从下方通过。其可以控制冲击区域大小，促进小尺寸夹杂物相互碰撞并聚集成大夹杂物，更容易上浮并被渣层吸收所去除。上挡墙还能将随钢包注流进入中间包的钢包渣隔离在冲击区内从而减少钢包卷渣造成钢液二次污染。同时，上挡墙稳定下游钢水液面，降低二次氧化和机械冲刷产生的夹杂数量。坝或称为下挡墙，其安装部位同样横跨整个中间包宽度，从中间包底部向上延伸至距钢液面下方一定距离，钢水从其上方通过。下挡墙的作用包括：延长钢液流动路径，增加停留时间，防止短路流形成；以及缩短夹杂物上浮距离，进一步促进夹杂物上浮，净化钢液。在中间包内上、下挡墙通常组合使用，获得理想的中间包冶金效果。

表1给出了中间包用耐火材料的材质对铝镇静钢钢水中总氧含量的影响。钢水中的夹杂物大多为氧化物夹杂以及耐火材料也主要为氧化物，因而测试钢水中的总氧量是评价钢液洁净度的重要指标。和热力学计算的氧化物对钢液增氧规律一致，镁质或镁钙质材料引入到钢水中总氧量低，硅质或高铝质材料对钢水增氧显著。从提高钢水洁净度的角度，与钢液长期接触的部位如中间包(包壁)工作衬和挡墙常使用镁质耐火材料。工作衬材料目前主要为镁质涂抹料或干式料，挡墙、挡坝则使用镁质浇注料。

表1中间包材质对钢水中全氧质量分数的影响

镁质涂抹料加入较高含量的水以保证施工，由此会存在水化问题。氧化镁与水或水蒸气反应生成氢氧化镁，反应伴随着约1.5倍的体积膨胀，在养护、烘烤阶段产生裂纹以及浇钢过程容易出现剥落或坍塌的问题。若烘烤阶段涂抹料中的水分排除不彻底，残留水的分解会给钢液带来增[H]的问题。与涂抹料相比，干式料是一类采用振动成型在不含水状态下施工的不定形耐火材料，其具有烘烤时间短、升温速度快和容易脱包等优点。镁质干式料采用酚醛树脂、沥青和松香等有机结合剂，在低于1000℃即发生分解，从而影响材料中高温结合强度；此外有机结合剂的分解对钢液存在增[C]和增[H]的风险，影响钢液质量。同时还发展了无机结合剂如聚磷酸盐和偏硅酸钠等。聚磷酸盐结合剂仍存在增[P]的问题。以偏硅酸钠为结合剂时，其在升温过程中逐渐熔化，使镁砂颗粒表面被液态无机盐所包裹，镁砂骨料和基质之间能充分粘结，形成了具有一定强度的结合体，保证干式料较好的中低温强度，同时减少了对钢水增加[C]、[H]、[S]和[P]的问题。

控流装置相比于工作衬，受到钢液不间断冲刷作用更强，对材料强度要求更高，因此普遍地采用镁质浇注料或者预制件。此外上挡墙还受到渣的侵蚀作用，还要求镁质浇注料具有良好的抗渣侵蚀性能。在镁质浇注料化学组成主要为氧化镁、氧化硅和氧化铝。氧化硅对钢液增氧能力强，提高了氧的浓度。并容易与钢中金属元素发生氧化.还原反应形成氧化物夹杂(如式1至3所示)，降低了钢液洁净度。由于P₂O₅与CaO可以形成稳定化合物C₂L₄P₂O₉以及S与CaO反应生成CaS，含有游离氧化钙的镁钙质材料相比与其它材质的浇注料对去除钢中的[S]和[P]效果更显著。陶绍平的研究还指出，尽管镁铝质耐火材料(MgO>82wt%)对净化钢液的作用有限，但是不污染钢水；然而铝镁质耐火材料(MgO<14wt%)尚不能去除钢中夹杂，还可能向钢液发生熔蚀，增加夹杂的数量。因此从钢水洁净度的角度，在保证镁质浇注料基本物理性能的前提下，组成中应尽可能降低氧化硅、氧化铝添加量。

3SiO₂+4[Al]→[Si]+2Al₂O₃ (1)

SiO₂+2[Mn]→[Si]+2MnO (2)

SiO₂+[Ti]→[Si]+TiO₂ (3)