王恩会等：钢包工作衬用耐火材料的研究现状及最新进展 ·697· Grey Ga K MgK AI K 54m 5um 5 gm 5 um 图2L「精炼后期典型夹杂物的扫描电镜一能谱线扫描照片回 Fig.2 SEM-EDS scans of typical inclusions found at later stages of the LF refining process 包括延伸性能、切削性能、疲芳性能等。积极方面表 为了满足不同时期的精炼需求，钢包工作衬用耐火 现为，分布均匀、尺寸细小、球形、熔点较低（具有变 材料的发展也经历了几次重要的变化.下面，将从 形能力)的夹杂物可以在一定程度上改善钢材的性 高铝砖系、碳复合系、刚玉一尖晶石浇注料系和氧化 能.基于“氧化物治金”的思想，合理控制夹杂物 钙系4种典型耐火材料的各自特点、发展轨迹和研 的尺寸可以达到对高温下晶粒长大进行钉扎和抑制 究现状来进行回顾和总结 的目的，从而实现晶粒细化.以无铅化易切削钢为 2.1高铝砖系耐火材料 例，当钢中的氧硫复合夹杂物的内核为mCa0· 黏土砖（主要成分为铝硅酸盐）从20世纪60 nAl,O3,外围为(Mn,Ca)S时，钢材的切削性能能够 年代初到70年代末一直是我国钢包工作衬用耐火 得到有效的提高s一 材料的主要选择，但其使用寿命低，消耗量大.同 不同于小尺寸夹杂物，大尺寸夹杂物对钢材的 期，国外钢包已开始使用高铝砖作为主要衬砖9 性能具有破坏作用.己有研究表明)，当帘线钢中 自20世纪70年代末到90年代初，随着我国炼钢工 非金属夹杂物尺寸大于加工钢丝直径的2%时，钢 艺的改进和治炼技术一定程度的发展，高铝砖逐渐 丝在冷加工过程中发生脆性断裂的几率将会明显增 被钢厂所采用四.高铝砖的获取主要是基于天然 加.在轴承钢中，这些大尺寸的夹杂物被认为是造 的铝矾土，在当时使用条件不太苛刻的情况下（没 成钢材疲劳寿命离散度较大的主要原因图 有精炼或者精炼处理时间很短)，高铝砖衬的寿命 也只在20~30次左右 2 钢包工作衬用耐火材料的发展 为了提高普通高铝砖工作衬的使用寿命，人们 目前炉外精炼用钢包一般可以分为处理型钢包 采用提高A山，03含量或者添加锆英石、红柱石微粉 和精炼型钢包两种.前者无温度补偿功能，在较短 等)方法.其原理在于通过提高高铝砖的耐火度 的精炼时间内主要用于钢水的脱气、脱硫、成型控制 及荷重软化温度，实现材料抗渣性能的提升.用这 以及改变夹杂物形状等：后者具有温度补偿功能，因 种高铝砖作钢包工作衬用耐火材料，使用寿命相较 而精炼温度高、处理时间长，主要用于高合金钢和特 于普通高铝砖有所增加.改进后的高铝砖与钢水接 殊钢的精炼 触后尽管会形成以刚玉、莫来石为主要矿物的高熔 随着炉外精炼和合金化工艺在炼钢过程所占的 点反应层，但高温下同样含有较高的液相量.这些 比重越来越高，钢包工作衬用耐火材料的重要性越 缺点导致高铝砖在面对热冲击作用的服役过程中， 发凸显.钢包工作衬用耐火材料对夹杂物的作用和 很容易被钢水和熔渣渗透，形成较厚的渗透层，容 影响因材料成分、结构等而有所区别，因此钢包工作 易挂渣和剥落，致使内衬损坏很不均匀.后续，研究 衬用耐火材料自身的物理化学性质及其与钢液和钢 者又相继推出了化学结合高铝砖、磷酸或者磷酸盐 渣的反应是钢包衬耐火材料研究中最为关注的方 结合的高铝质捣打料及高铝浇注料等来提高材料的 向，同时上述两个方面对于夹杂物的精确控制和钢 抗剥落性能，从而进一步提高了高铝质钢包内衬的 水品质的提升也至关重要.随着现代工业对钢材品 使用寿命，但是这些处理方法常会对钢液质量造成 质要求的逐渐提升，钢液精炼方式趋向于多样化 不利影响，比如磷酸或者磷酸盐会向钢中引入P].王恩会等: 钢包工作衬用耐火材料的研究现状及最新进展 图 2 LF 精炼后期典型夹杂物的扫描电镜--能谱线扫描照片［3］ Fig． 2 SEM--EDS scans of typical inclusions found at later stages of the LF refining process［3］ 包括延伸性能、切削性能、疲劳性能等． 积极方面表 现为，分布均匀、尺寸细小、球形、熔点较低( 具有变 形能力) 的夹杂物可以在一定程度上改善钢材的性 能． 基于“氧化物冶金”的思想［14］，合理控制夹杂物 的尺寸可以达到对高温下晶粒长大进行钉扎和抑制 的目的，从而实现晶粒细化． 以无铅化易切削钢为 例，当钢中的氧硫复合夹杂物的内核为 mCaO· nAl2O3，外围为( Mn，Ca) S 时，钢材的切削性能能够 得到有效的提高［15--16］． 不同于小尺寸夹杂物，大尺寸夹杂物对钢材的 性能具有破坏作用． 已有研究表明［17］，当帘线钢中 非金属夹杂物尺寸大于加工钢丝直径的 2% 时，钢 丝在冷加工过程中发生脆性断裂的几率将会明显增 加． 在轴承钢中，这些大尺寸的夹杂物被认为是造 成钢材疲劳寿命离散度较大的主要原因［18］． 2 钢包工作衬用耐火材料的发展 目前炉外精炼用钢包一般可以分为处理型钢包 和精炼型钢包两种． 前者无温度补偿功能，在较短 的精炼时间内主要用于钢水的脱气、脱硫、成型控制 以及改变夹杂物形状等; 后者具有温度补偿功能，因 而精炼温度高、处理时间长，主要用于高合金钢和特 殊钢的精炼． 随着炉外精炼和合金化工艺在炼钢过程所占的 比重越来越高，钢包工作衬用耐火材料的重要性越 发凸显． 钢包工作衬用耐火材料对夹杂物的作用和 影响因材料成分、结构等而有所区别，因此钢包工作 衬用耐火材料自身的物理化学性质及其与钢液和钢 渣的反应是钢包衬耐火材料研究中最为关注的方 向，同时上述两个方面对于夹杂物的精确控制和钢 水品质的提升也至关重要． 随着现代工业对钢材品 质要求的逐渐提升，钢液精炼方式趋向于多样化． 为了满足不同时期的精炼需求，钢包工作衬用耐火 材料的发展也经历了几次重要的变化． 下面，将从 高铝砖系、碳复合系、刚玉--尖晶石浇注料系和氧化 钙系 4 种典型耐火材料的各自特点、发展轨迹和研 究现状来进行回顾和总结． 2. 1 高铝砖系耐火材料 黏土砖( 主要成分为铝硅酸盐) 从 20 世纪 60 年代初到 70 年代末一直是我国钢包工作衬用耐火 材料的主要选择，但其使用寿命低，消耗量大． 同 期，国外钢包已开始使用高铝砖作为主要衬砖［19］． 自 20 世纪 70 年代末到 90 年代初，随着我国炼钢工 艺的改进和冶炼技术一定程度的发展，高铝砖逐渐 被钢厂所采用［20］． 高铝砖的获取主要是基于天然 的铝矾土，在当时使用条件不太苛刻的情况下( 没 有精炼或者精炼处理时间很短) ，高铝砖衬的寿命 也只在 20 ～ 30 次左右． 为了提高普通高铝砖工作衬的使用寿命，人们 采用提高 Al2O3 含量或者添加锆英石、红柱石微粉 等［21］方法． 其原理在于通过提高高铝砖的耐火度 及荷重软化温度，实现材料抗渣性能的提升． 用这 种高铝砖作钢包工作衬用耐火材料，使用寿命相较 于普通高铝砖有所增加． 改进后的高铝砖与钢水接 触后尽管会形成以刚玉、莫来石为主要矿物的高熔 点反应层，但高温下同样含有较高的液相量． 这些 缺点导致高铝砖在面对热冲击作用的服役过程中， 很容易被钢水和熔渣渗透，形成较厚的渗透层，容 易挂渣和剥落，致使内衬损坏很不均匀． 后续，研究 者又相继推出了化学结合高铝砖、磷酸或者磷酸盐 结合的高铝质捣打料及高铝浇注料等来提高材料的 抗剥落性能，从而进一步提高了高铝质钢包内衬的 使用寿命，但是这些处理方法常会对钢液质量造成 不利影响，比如磷酸或者磷酸盐会向钢中引入［P］． · 796 ·