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钢包透气砖耐火材料作为钢包二次精炼环节中至关重要的功能性耐火材料,直接影响钢包精炼的效果。其吹气的稳定性,流量的大小,寿命的稳定性对钢水的质量,合金元素的均化,钢包的生产节奏都有着重大的影响。同时由于透气砖的寿命较短,特别是在精炼钢包中,其使用寿命通常只有20-50炉次,大大低于钢包中其他耐火材料,如钢包渣线Mg-C砖,包壁/包底耐火材料。因此钢包耐火材料的维护和更换频率取决于透气砖的使用寿命。钢包小修的节奏通常根据透气砖的使用寿命而制定。因此,提高钢包透气砖的性能,对于钢铁冶金有着重要的意义。本论文首先研究了工况服役条件下的透气砖,对透气砖的损毁机制进行了分析。透气砖的损毁原因是多方面的。钢液的冲刷、磨损、侵蚀、渗透,热应力所造成的开裂、剥落,氧气清扫所带来的超高温和强氧化作用,使得透气砖的寿命下降。渗钢区域形成大量尖晶石固溶体(Mg0.15Fe0.96)·Al2O4。这是由于大量的钢液和富铁渣渗入耐火材料,并且由于吹氧清扫过程中产生的高温,铁的氧化物和镁铝尖晶石以及刚玉可以很容易的形成尖晶石固溶体。同时发现,尖晶石和CaO6（Al2O3） （CA6）矿相在透气砖工作环境中可以稳定存在。在透气砖的配方设计上,引入这两种矿相对于透气砖的性能是有利的。透气砖的温度场和应力场模拟,诠释了透气砖在服役条件下所承受的温度和应力的冲击。结果表明,透气砖垂直方向的拉伸应力较大,达到350MPa。拉伸应力带来水平方向的裂纹,是透气砖产生剥落和开裂的主要原因。对富Al2O3的Al2O33-MgO-CaO元体系分析表明。该系统中稳定存在的矿相为刚玉,尖晶石和CA6,转熔点为1850℃。然而在高水泥体系中,系统出现CaO2（Al2O3） （CA2）矿相,低共熔点降低到1730℃。因此,在该浇注料体系,水泥的加入量不宜过高。通过FactSage热力学分析软件计算了Fe2O3对Al2O3-MgO-CaO元体系,以及Fe2O3对Al2O3-MgO二元体系的影响。结果表明,Fe的氧化物对于含CaO耐火材料在1700℃有着很强的侵蚀作用：无CaO系统相比含CaO系统的液相出现温度高出91℃,液相量低25.5%,抗渣侵蚀性更强。无CaO系统相比含CaO系统有明显的抵抗铁渣侵蚀的优势。坩埚抗渣测试证实了FactSage计算的结果：无水泥结合（ρ-Al2O33结合）的浇注料抵抗富Fe渣的侵蚀性明显优于水泥结合浇注料。研究了低水泥和超低水泥浇注料系统中尖晶石的影响。结果表明在低水泥浇注料系统中,随着尖晶石含量的增加,浇注料的常温物理性能没有发生明显的变化,然而高温抗折强度随之增加。然而结合材料的显微结构SEM以及EDS能谱分析可知,高尖晶石的配方中形成了大量的三元矿相C2M2A14,这种片状矿相穿叉于材料的骨料与基质之中,形成交叉互锁结构,提高了材料的致密度,提升了材料的高温抗折强度。研究丫结合剂系统对于Al2O3-MgO-CaO浇注料的影响。铝酸钙水泥,以及无水泥结合剂ρ-Al2O3分别作为结合剂,对浇注料系统的影响做了全面的分析。结果表明,水泥含量的增大将使得浇注料气孔率增多,体积密度下降,高温强度（HMoR）降低。这主要是一方面根据热力学计算的结果,高水泥含量的配方耐火度较低：另外一方面是由于形成太多的膨胀性物质CA6及CA2,结构较为松散。因此,考虑到HMoR对于透气砖的实际应用的重要性,通常避免采用高水泥的配方,水泥的加入量不宜超过5%,这与理论计算的结果相符。ρ-Al2O3结合剂的用量同样不宜过大,否则同样使得浇注料的气孔率增多,体积密度下降。ρ-Al2O3结合剂的最佳用量为4%。ρ-Al2O3含量的变化对于高温抗折强度的影响不大。但大大低于超低水泥浇注料配方C2S26。由显微结构分析可知,相比于水泥结合的刚玉-尖晶石浇注料,无水泥刚玉-尖晶石浇注料的烧结过程比较困难。由此可见,水泥结合浇注料的高温耐冲刷/耐磨性能优于ρ-Al2O3吉合的浇注料体系。采用’Wedge-splitting’楔形切口法测试材料的开裂行为,得到材料的热应力稳定性因子R’’’’,从而评价材料的热震稳定性。另外,通过传统的水冷法对材料的热震稳定性进行了测试,对比了’Wedge-splitting’楔形切口法所得到的结果。结果表明,ρ-Al2O3结合的无水泥浇注料配方A4S26经过1250℃℃处理后的R’’’’达到100,高出水泥结合浇注料60-70%。水冷热震法所得到的结果与其大致相同。且低温处理的试样较之高温烧成的试样的热震稳定性更好。通过水冷法测试可知,材料经过3次水冷循环之后,残余强度下降的更多。无论是低温处理还是高温烧成的试样,ρ-Al2O3结合的无水泥浇注料热震稳定性最佳。该博士论文对透气砖耐火材料的各项性能进行了较为全面的研究,旨在通过研究透气砖影响因素以提高其使用性能。对用后透气砖的研究得出了其损毁机制。温度场/应力场的模拟诠释了透气砖在服役条件下所承受的温度和应力的冲击。尖晶石及结合剂的影响因素研究,对于透气砖配方设计提出了指导方向。热震稳定性的研究对于透气砖的配方设计提供了新的思路。无水泥结合的透气砖的各项综合性能更有优势。本论文对Al2O3-MgO-CaO系钢包透气砖用刚玉-尖晶石低水泥浇注料的影响因素进行了优化,并成功制备了高性能的Al2O3-MgO系无水泥透气砖浇注料。通过对其性能进行表征,可为该系列材料提供了一个科学的基础,在此基础上可设计出高性能的透气砖耐火材料方案,有利于炼钢工艺流程的优化。