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    氧化鋁陶瓷/一鋁酸鈣復合坩堝與鋼液的作用研究

    發布日期:2017年12月10日

    摘 要: 中頻感應爐是高品質鋼及合金材料冶煉的重要設備, 其氧化鋁陶瓷坩堝參與高溫外場苛刻條件冶金過程, 對感應爐的安全穩定運行和鋼的質量有重要影響。本文采用高溫熱模擬試驗, 研究了一鋁酸鈣涂層對坩堝壽命及鋼液潔凈度的影響。研究表明:一鋁酸鈣 (CA) 在初期能有效阻隔鋼液的滲透, 其后與氧化鋁陶瓷原位反應結合, 同時吸收鋼液中的氧化鋁夾雜等, 逐步形成六鋁酸鈣 (CA6) 高熔點隔離層, 不僅減緩鋼液的滲透侵蝕, 而且可凈化鋼液, 提升鋼品質。

    0 引言

    中頻感應爐是高品質鋼及合金材料關鍵冶煉環節的重要設備, 因具有熔化速度快、熔煉溫度高、鋼液化學成分均勻等優點而廣泛應用于精密鑄造行業[1], 爐襯是感應爐的重要組成部分之一, 它不僅起容器支撐的作用, 也參與冶金物理和化學反應過程, 對中頻感應爐的安全穩定運行和鋼的質量有重要影響。中頻感應爐爐襯處于高溫環境中, 服役條件苛刻, 中頻感應爐爐襯的要求日益嚴格: (1) 有足夠的耐火度、體積變化小、抗熱震穩定性好、化學穩定性好、不污染鋼液; (2) 有足夠的燒結強度, 以抵抗機械沖擊、并能抗爐渣侵蝕[2,3]。氧化鋁質陶瓷坩堝作為中頻爐主要的爐襯材料, 具有耐火度高、化學性質穩定、強度大且熱震穩定性較好的特點, 但其在中頻爐特殊鋼的苛刻冶煉環境下抗侵蝕性能仍不甚理想, 服役壽命還需進一步改善。有研究[4-9]表明, 在鋼冶煉條件下, 氧化鋁質耐火材料與一定組分的熔渣接觸時, 會在氧化鋁-渣界面形成一層六鋁酸鈣 (CA6) 等高熔點隔離層, 可在一定程度上保護氧化鋁材料不被快速侵蝕。因此, 在氧化鋁陶瓷坩堝內表面形成一層CA6等高熔點致密層是提高其抗侵蝕性能的有效途徑。

    氧化鋁易溶入鋼水中, 不僅影響氧化鋁坩堝的使用壽命, 而且會形成脆性氧化鋁夾雜, 對鋼水質量有重要影響。而一鋁酸鈣在冶煉溫度下為Ca O-Al2O3體系的非平衡態, 可與氧化鋁反應逐漸生成六鋁酸鈣高熔點相, 在保障氧化鋁陶瓷壽命的同時有利于鋼液中氧化鋁夾雜的吸附去除和變性。因此, 本文嘗試在氧化鋁陶瓷坩堝表面內表面均勻涂覆一鋁酸鈣 (CA) 薄層, 開展高溫熔體熱模擬試驗, 結合掃描電子顯微鏡 (SEM, JEOL JSM-6610) 和能譜儀 (EDS, Bruker QUANTAX200-30) , 研究特殊鋼冶煉高溫條件下氧化鋁陶瓷坩堝及其涂層與鋼液的相互作用, 分析其顯微結構變化, 探討了一鋁酸鈣涂層對爐襯壽命及鋼液潔凈度的影響。

    1 實驗

    將一鋁酸鈣粉末 (CA) 與叔丁醇以適當比例調配, 再經過球磨、超聲分散處理后, 均勻涂抹在氧化鋁坩堝內表面, 并將坩堝放入80℃真空干燥箱中烘3 h, 然后在110℃烘箱中烘24 h, 得到氧化鋁陶瓷/一鋁酸鈣涂層復合坩堝。

    特殊鋼粉的化學組成如表1所示, 其中Al2O3、Mn O2、Cr2O3、Si O2是鋼液精煉過程中常見的成分。

    實驗過程如圖1所示:在上述復合涂層的氧化鋁坩堝中加入200 g特殊鋼粉和10 g Al2O3粉末 (Al2O3≥99.0wt.%, 粒徑D90為38-44μm) 的混合物, 分別裝入涂抹CA的坩堝和未涂抹CA的坩堝中, 并放入高溫爐內, 在適當的升溫速率上升至1500℃, 并保溫;待高溫爐恢復至室溫時取出試樣。分別選取兩試樣中氧化鋁陶瓷坩堝-涂層-鋼界面區域, 對其進行合理的切割, 再經過磨平、拋光、噴金等工序制成電鏡試樣, 綜合SEM及EDS進行觀察和分析, 探討了一鋁酸鈣涂層對爐襯壽命及鋼液潔凈度的影響, 以期為提高氧化鋁陶瓷坩堝的使用壽命和鋼品質提供一種新思路。

    表1 特殊鋼粉的化學成分

    表1 特殊鋼粉的化學成分

    圖1 氧化鋁陶瓷坩堝及涂層示意圖

    圖1 氧化鋁陶瓷坩堝及涂層示意圖

    圖2 氧化鋁陶瓷坩堝及涂層示意圖

    圖2 氧化鋁陶瓷坩堝及涂層示意圖

    圖2 (a) 、 (b) 氧化鋁陶瓷坩堝-涂層-鋼界面區域的SEM (c) 界面處的EDS分析

    2 實驗結果與分析

    綜合SEM及EDS觀察分析實驗后試樣中氧化鋁陶瓷坩堝-涂層-鋼界面區域的顯微結構及相成分。如圖2所示, 利用EDS對原涂層位置進行能譜分析 (圖2 (c) ) , 可以發現涂層由原CA轉變成CA6高熔點相, CA6是Ca O-Al2O3體系中Al2O3含量最高的鋁酸鈣相, 具有優良的高溫性能, 其熔點高于1875℃[10], 對熔融金屬和熔渣的潤濕性也較低, 因此是提高抗侵蝕性能的優異材料[11]。CA6隔離層將鋼與氧化鋁坩堝分隔, 由于CA6材料抗渣性能較好, CA6隔離層可以在一定程度上防護氧化鋁陶瓷坩堝被快速侵蝕。從圖2 (a) 、 (b) 中可以看出, 隔離層的厚度為50μm, 并且厚度較均勻, 分布連續性較好, 較完整的分布在鋼與氧化鋁坩堝的界面處。由于CA6相與Al2O3相的熱膨脹系數差別很小, 因此兩種物相可以相對緊密的貼合, 較難產生裂紋而脫落, 產生的CA6隔離層將鋼液與氧化鋁坩堝相互隔離, 減少直接接觸, 氧化鋁坩堝所受到的侵蝕和滲透比較小。

    圖3 鋼液中氧化鋁雜質含量對比 (a) 未涂CA涂層 (b) 涂抹CA涂層 (c) 夾雜物EDS分析

    如圖3所示, 圖中整體襯度較深的一側為氧化鋁坩堝, 襯度較淺一側為鋼液及雜質。利用EDS對鋼液中夾雜進行能譜分析 (3 (c) ) , 襯度較深的柱狀晶體為固溶了少量鉻的氧化鋁相, 這是的鉻在鋼液中聚集, 不利于鉻在鋼液中的均勻分布。由圖3 (a) 可以看出, 在未涂抹CA的氧化鋁坩堝在經過高溫熔體試驗后, 氧化鋁/鋼界面附近柱狀鋁鉻固溶體夾雜數量比較多;由圖3 (b) 可以看出, 涂抹了CA的氧化鋁坩堝在經過高溫熔體實驗后, 氧化鋁/鋼界面附近鋁鉻固溶體夾雜的數量相比前者有一定程度的減少。

    根據標準評級圖顯微檢驗法 (GB/T 10561-2005) 對鋼中夾雜物進行統計, 如圖4所示。根據圖4可以看出, 鋼液中的夾雜大部分為鋁鉻固溶體夾雜, 并有少量含鈣夾雜物。其中, 未涂CA涂層的氧化鋁坩堝處理后的鋼中夾雜數量較多, 夾雜物尺寸主要集中在30-40μm;涂覆CA涂層的氧化鋁坩堝處理后的鋼中夾雜數量相對較少, 夾雜尺寸亦主要集中于30-40μm。相比較未涂覆了CA涂層的實驗后鋼試樣, 涂覆了CA涂層的實驗后鋼試樣中夾雜物總數量減少了29.8%, 30-40μm的夾雜物數量減少了29.2%, 40-50μm的夾雜物數量減少33.3%。

    圖4 鋼液中夾雜物及粒度分布統計 (a) 未涂CA涂層 (b) 涂抹CA涂層

    在高溫熔體實驗的過程中, 鋼液-氧化鋁坩堝界面處形成了一層CA6隔離層;一方面, 由于六鋁酸鈣對金屬溶體和熔渣的潤濕性較低, 這層CA6防護層可以有效的減緩金屬熔體和熔渣向氧化鋁中的滲透;另一方面, CA6防護層的存在使得Al2O3的溶解由直接擴散變為間接擴散, 將很大大程度上減緩氧化鋁的溶解速率, 抑制了氧化鋁的溶解。此外, CA涂層在1500℃熱處理中, 會與Al2O3坩堝發生輕微反應, 原位生成了CA6相, 這使得涂層與氧化鋁坩堝原位結合, 不易與坩堝發生剝落, 更好的保護氧化鋁坩堝, 減少侵蝕。

    3 結論

    (1) 一鋁酸鈣 (CA) 涂層高溫下能產生CA6隔離層, 能有效防止鋼液的侵蝕與滲透。

    (2) 高溫熔體實驗后, 鋼試樣中的夾雜物尺寸主要集中在30-40μm;相比較未涂覆了CA涂層的實驗后鋼試樣, 涂覆了CA涂層的實驗后鋼試樣中夾雜物總數量減少了29.8%。

    (3) 形成的六鋁酸鈣 (CA6) 高熔點隔離層不僅使坩堝中Al2O3的溶損由直接變為間接擴散, 減緩鋼液的滲透侵蝕;而且有可能吸收鋼液中的氧化鋁夾雜, 有利于凈化鋼液, 提升鋼的品質。

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