结构工程师辅导：耐火材料对钢材质量的影响

　　耐火材料是一种能够抵抗高温作用的固体材料，广泛应用于冶金工业。根据其化学性质和成份的不同，耐火材料通常可分为：酸性耐火材料(石英、硅砖);半酸性耐火材料(半硅砖);中性耐火材料(铬砖、粘土砖、高铝砖);碱性耐火材料(镁砖、铬镁砖、镁铝砖、白云石砖、镁砂、白云石及镁质耐火泥)等。碱性耐火材料由于具有耐火度高、热稳定性好、抗渣性好等优良特性，目前被广泛应用于冶炼设备中。在转炉与电炉炼钢过程中，钢水对炉衬耐火材料会产生机械冲刷，与此同时构成耐火材料的组成元素溶解到钢水中并与钢水之间发生化学反应。钢水对炉衬的机械冲刷以及二者之间的化学反应：一方面导致炉衬耐火材料的受损与侵蚀;另一方面会对钢水及钢材的质量产生影响。在钢的冶炼过程中，炉衬耐火材料与熔池中钢水的相互作用以及因此而引起对钢水及钢材质量的影响主要有以下几方面：

　　耐火材料脱落使钢水及钢材中产生非金属夹杂

　　在炼钢过程中，炉衬耐火砖受到侵蚀后，砖的脱碳层和反应层发生结构变化引起松弛。受熔融钢水、炉渣、炉气以及兑入铁水和加入散料、废钢时的机械冲刷，使得耐火材料脱落并卷入钢溶液中，形成非金属夹杂。钢材中的非金属夹杂物与钢材本身的性能有很大差别。从力学角度分析，非金属夹杂物的存在部位是钢材的应力集中点，对钢材的强度、刚度以及持久极限等力学性能都有很大影响。因此，非金属夹杂是影响钢材质量的严重缺陷之一。

　　耐火材料的构成元素与钢水中非金属元素之间相互反应产生非金属夹杂物

　　构成耐火材料的一些元素，直接溶解到钢水中，使得熔池中的氧、碳及其他非金属元素增加。在一定条件下，钢水中非金属元素之间相互反应生成非金属夹杂物。同理也会对钢水及钢材质量造成不利影响。

　　耐火材料的增碳对钢水及钢材质量的影响

　　目前国内外广泛应用于转炉、电炉、连铸、炉外精炼以及钢包中的耐火材料，是20世纪80年代发展起来的一类较为新型的碱性耐火材料――碳复合耐火材料。碳复合耐火材料中一般含有3%～30%的碳。在炼钢过程中，碳的氧化反应是冶炼过程的重要反应。把钢水中的含碳量氧化降低到所炼钢号的规格内，是炼钢的重要任务之一。而耐火材料的脱碳会造成钢水中碳的含量增加改变钢的组成，尤其在冶炼纯净钢、超纯净钢时，耐火材料的脱碳会对钢水及钢材质量产生较大的影响。耐火材料的脱碳机理为：当冶炼进行的一定程度后，钢与耐火材料之间存在一定的液相隔离层。反应物在耐火材料表面形成一个固相产物层，耐火材料中的组成元素穿过该层扩散到钢水中。而钢水中的一些元素和氧化物，主要是钢渣中的(FeO)穿过耐火砖的反应层到达脱碳层反应界面，二者在相会处发生脱碳反应。因而，影响钢水的成分。其化学反应式为：

　　(FeO)+C(固)=[CO]+Fe炉渣O2+2C(固)=2[CO]炉气

　　另外，转炉和电炉在冶炼过程中，要向炉内进行吹氧脱碳。氧气[o2]使熔池中的原子铁[Fe]大量氧化成[FeO]，溶解于钢水中的碳[C]与[FeO]接触发生氧化反应。碳被氧化后生成CO气泡合并长大后上浮，通过渣层排出。碳被氧化会影响钢水中氧等其他组分的含量。因而也会对钢水及钢材质量产生一些的影响。然而，[CO]气泡的上浮与排出，对金属熔池有一种强烈的搅拌作用，对均匀钢水的成分与温度，改善钢水的化学反应动力条件也有一定的益处。

　　耐火材料的脱硫作用有利于提高钢水及钢材质量

　　硫在钢中多以硫化物的形式存在，对绝大多数钢而言，硫[S]是有害元素。它对钢材性能的主要影响：使钢材产生热脆、减低钢的力学性能及焊接性能等。因此，减小和控制钢中硫的含量，对于提高钢材质量具有很大益处。实验研究表明，在高温下，耐火材料的内部有一定的液相生成。介于钢水熔液与耐火材料之间的液相层，通常为硅酸盐熔体，它的组成、结构与熔渣十分相似。因此，也具有熔渣的氧化还原;脱硫、磷以及吸附钢液中夹杂物的作用。

　　耐火材料对熔池中钢水的脱硫原理为：进入耐火材料液相隔离层中的硫离子通过液相向耐火材料内扩散，与耐火材料中的[CaO]颗粒反应，在[CaO]颗粒表面生成CaS层。其化学反应式为：(CaO)+[S]=(CaS)+[O]这表明CaO具有较强的脱硫作用。因此，在含有MgO-CaO系列的耐火材料具有较强的脱硫作用。

　　耐火材料的脱磷作用有利于提高钢水及钢材的质量

　　磷在钢中多以磷化铁的形式存在，对绝大多数钢而言，磷[p]是有害元素。它对钢材性能的主要影响：降低钢的塑性、韧性、耐焊接性能以及使钢材产生冷脆等。耐火材料的脱磷作用与熔渣脱磷作用相同。基本原理为：钢水中的磷氧化生成P2O5.由于P2O5气体不稳定，须上浮到渣与钢水的液面与耐火材料液相层中提供的碱性氧化物反应生成磷酸盐溶入渣中，从而使磷从钢水中排出。其化学反应式为：

　　2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO.P2O5)+5[Fe]

　　因此，耐火材料能够脱除钢水中磷的一定含量，从而有利于提高钢水与钢材的质量。

　　近年来，由于工业、国防以及航空航天工业的飞速发展，对优质钢材的需求愈来愈高。在冶炼纯净钢等优质钢材时就必须高度重视和深入研究耐火材料与熔池中钢水之间的反应对钢质量造成的影响。同时也为研发能够对钢水起到净化作用的新型耐火材料提供依据。