真空中頻爐用鋁鎂質(zhì)干式料殘料的分析與研究

真空中頻爐用鋁鎂質(zhì)干式料殘料的分析與研究

50.1000hz中型耳頻傳感器設(shè)備具有高效、節(jié)能、低污染、易調(diào)整、易控制等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于裝配、鐵匠、色澤精煉、精裝機(jī)生產(chǎn)等領(lǐng)域。1.4。爐襯耐火材料是感應(yīng)爐最重要的組成部分之一,其應(yīng)具有足夠的燒結(jié)強(qiáng)度和良好的抗渣性能、抗熱震性能及高溫體積穩(wěn)定性。鋁鎂質(zhì)或鋁尖晶石質(zhì)干式料因使用溫度高、抗渣性能和抗熱震性能優(yōu)良而廣泛用于鑄鐵、鑄鋼和特殊鋼等的冶煉。但由于中頻爐特殊的工作原理、使用環(huán)境及國(guó)內(nèi)耐材廠家的重視程度等多方面的原因,該類干式料的制造技術(shù)多由美國(guó)、法國(guó)等知名外企所控制,國(guó)內(nèi)成規(guī)模企業(yè)并不多見(jiàn),相關(guān)的技術(shù)研究也亟待深入。本工作中跟蹤了自產(chǎn)鋁鎂質(zhì)干式料在某廠10t真空精煉中頻爐上的使用全過(guò)程,對(duì)拆爐后的殘料進(jìn)行了物相組成和顯微結(jié)構(gòu)分析,探討了燒結(jié)層和過(guò)渡層中各反應(yīng)新相的形成機(jī)制。1真空感應(yīng)爐產(chǎn)品試驗(yàn)所用鋁鎂質(zhì)干式搗打料的主要原料為電熔剛玉(臨界粒度5mm)和電熔鎂砂(臨界粒度1mm),細(xì)粉中還添加適量促燒劑,產(chǎn)品中Al2O3和MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為86.20%、12.80%。該產(chǎn)品在某廠10t真空感應(yīng)爐上用于精煉特殊鋼,工作溫度在1600~1680℃,每爐精煉時(shí)間在14~16h,添加Mn、Ni、V、Cr、Si等金屬和增碳劑,連續(xù)作業(yè),使用26爐后正常下線。拆爐時(shí)從爐壁鋼液面下方100mm處取得一塊干式料殘料,見(jiàn)圖1。該處原厚135mm,測(cè)得其燒結(jié)層、過(guò)渡層和松散層分別為10、70和55mm(松散層已脫落,為計(jì)算得出),還發(fā)現(xiàn)燒結(jié)層中滲有少量冷鋼。對(duì)干式料殘料的燒結(jié)層和過(guò)渡層分別取樣,測(cè)試其體積密度和顯氣孔率,利用光譜儀測(cè)試其化學(xué)成分(測(cè)試前燒結(jié)層中的冷鋼已篩除),利用X射線衍射儀分析其物相,利用掃描電鏡觀察其顯微結(jié)構(gòu),利用能譜儀測(cè)定其微區(qū)成分。2結(jié)果與討論2.1燒結(jié)層的xrd分析干式料殘料的化學(xué)組成見(jiàn)表1。可知燒結(jié)層中含有大量的鐵氧化物,還含有一定量的MnO和NiO,而過(guò)渡層幾乎仍保持原干式料的理論組成。測(cè)試燒結(jié)層和過(guò)渡層的體積密度分別為4.07和2.84g·cm－3,顯氣孔率分別為7.8%和25.0%,表明燒結(jié)層因有冷鋼的滲入和顯著的燒結(jié)反應(yīng),其結(jié)構(gòu)顯得非常致密,而過(guò)渡層未被鋼水和熔渣滲透,其主要表現(xiàn)為剛玉和鎂砂之間的尖晶石生成反應(yīng)(會(huì)產(chǎn)生體積膨脹),因而結(jié)構(gòu)顯得比較疏松。燒結(jié)層和過(guò)渡層的XRD圖譜見(jiàn)圖2。可知,燒結(jié)層的主要物相為剛玉和固溶有MgO的鐵鋁尖晶石(Mg0．30Fe0．76)Al1．94O4。推測(cè)鐵鋁尖晶石是在真空還原氣氛下?tīng)t料帶入的鐵銹、炭素(來(lái)自增碳劑)和剛玉細(xì)粉反應(yīng)生成;過(guò)渡層的主要物相為剛玉和尖晶石,未發(fā)現(xiàn)方鎂石,表明因長(zhǎng)時(shí)間的高溫冶煉,過(guò)渡層配料中的鎂砂已基本反應(yīng)完畢。2.2干法料緩沖層的微觀形貌干式料燒結(jié)層的SEM照片見(jiàn)圖3,從圖中可以看出:(1)干式料燒結(jié)層的主要物相有3種,分別以數(shù)字“1、2、3”標(biāo)出,結(jié)合各物相能譜表明:“1”處為剛玉相;“2”處為固溶有MgO的鐵鋁尖晶石,其化學(xué)式為(Mg0．32Fe0．67)Al2．01O4(假設(shè)鐵元素為Fe2+),與圖2顯示的物相基本吻合;“3”處為Fe-Ni合金,呈不定形態(tài),以“孤島”狀分布,推測(cè)Fe-Ni合金是在鐵鋁尖晶石形成過(guò)程中被卷入其晶格之間的。(2)鐵鋁尖晶石呈正八面體,緊密排列呈片狀分布,緊緊包裹住未熔損完畢的剛玉顆粒。推測(cè)鐵鋁尖晶石的形成機(jī)制如下:干式料接觸鋼液的熱端部分,基質(zhì)中的鎂砂基本轉(zhuǎn)化為鎂鋁尖晶石,并均勻分布在剛玉骨料的周邊。與此同時(shí),在干式料的工作溫度和還原氣氛下,爐料中的液態(tài)Fe2O3被還原為液態(tài)的FeO,而后FeO侵蝕剛玉,生成鐵鋁尖晶石。FeO也會(huì)與剛玉骨料周邊的鎂鋁尖晶石發(fā)生置換反應(yīng),生成鐵鋁尖晶石和氧化鎂［5－6］,氧化鎂最終固溶在鐵鋁尖晶石中。在干式料的工作環(huán)境下,爐料基本純凈,表面鐵銹很少,故燒結(jié)層中生成的鐵鋁尖晶石的絕對(duì)量是有限的。認(rèn)為適量的鐵鋁尖晶石緊緊包裹住剛玉顆粒,使剛玉由最初的“直接溶解”轉(zhuǎn)為“間接溶解”,有效減緩了其溶解過(guò)程;另外,鐵鋁尖晶石填充在剛玉顆粒之間,大大提高了該處的致密度,使得高溫鋼水和低熔點(diǎn)渣停留在10mm左右的燒結(jié)層中,而很難繼續(xù)向過(guò)渡層滲入,有效提高了干式料使用時(shí)的安全性能。干式料過(guò)渡層的SEM照片見(jiàn)圖4。可知:1)在靠近燒結(jié)層端,因溫度較高,干式料中的鎂砂已全部反應(yīng)完畢,并沿原來(lái)鎂砂顆粒的輪廓形成一個(gè)內(nèi)部空洞的尖晶石環(huán)(“6”處);2)在遠(yuǎn)離燒結(jié)端,因溫度相對(duì)較低,干式料中還殘存未反應(yīng)完畢的鎂砂顆粒,同樣在殘存鎂砂顆粒的周邊,也形成一圈有間隙的尖晶石環(huán)(“6”處);3)在靠近燒結(jié)層端和遠(yuǎn)離燒結(jié)層端中,某些剛玉顆粒已部分尖晶石化,但殘存的剛玉卻和尖晶石緊密結(jié)合,兩物相間不存在間隙(“3”和“5”處)。能譜顯示,靠近剛玉端(“5”處)的尖晶石中MgO含量較低(MgO和Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20.72%和75.18%),而靠近鎂砂端(“6”處)的尖晶石中MgO含量較高(MgO和Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為23.18%和74.94%)。推測(cè)鎂砂和剛玉反應(yīng)生成尖晶石的機(jī)制如下:鎂砂顆粒在周邊存在Al2O3的情況下,由外向內(nèi)逐步分解,轉(zhuǎn)化為微細(xì)的尖晶石晶粒,這由圖4(c)可以明顯看出;尖晶石晶粒不斷往富鋁的剛玉方向遷移聚集,將Al2O3固溶于其中,形成富鋁尖晶石,并與殘存的剛玉緊密結(jié)合在一起;隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),最終在原鎂砂顆粒位置形成一個(gè)空洞;在遷移的途徑中,存在靠近原鎂砂位置處尖晶石中的MgO含量較高,而靠近殘存剛玉處尖晶石中MgO含量較低的現(xiàn)象。值得一提的是,原位尖晶石形成的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致原鎂砂位置產(chǎn)生空洞,因此在高性能鋁鎂質(zhì)干式料的設(shè)計(jì)中,在保證抗熔損性能不下降的前提下,可考慮適當(dāng)降低鎂砂的加入量,同時(shí)盡量以細(xì)粉形式加入。3鐵鋁尖晶石和鐵鎳合金的晶石(1)鋁鎂質(zhì)干式料殘料的燒結(jié)層很薄,除在還原氣氛中低價(jià)鐵氧化物的侵蝕和金屬滲透外,沒(méi)有明顯的渣蝕反應(yīng)。其主要物相為剛玉、固溶有MgO的鐵鋁尖晶石和鐵鎳合金。鐵鋁尖晶石物相成片狀分布,緊緊包裹住剛玉,延緩了