針對(duì)堿性熔渣侵蝕的鋼水連續(xù)測(cè)溫傳感器材料性能研究.pdf

1、黑體空腔鋼水連續(xù)測(cè)溫傳感器因?qū)崿F(xiàn)了低成本、高精度從而被較廣泛地應(yīng)用于中間包鋼水溫度連續(xù)測(cè)量。傳感器插入鋼水中，由于高溫、熔渣侵蝕、熱疲勞、熱沖擊等作用在一段時(shí)間內(nèi)即會(huì)損毀。傳感器的材料性能決定了其抵抗損毀的能力，即傳感器的壽命。而壽命指標(biāo)是該技術(shù)能否獲得廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。
　　目前，鋼水連續(xù)測(cè)溫傳感器采用Al2O3-C材料。在通常的酸性熔渣(CaO/SiO2＜1)中Al2O3-C質(zhì)傳感器的壽命可達(dá)24～40小時(shí)。而為提高鋼水

2、質(zhì)量，新的中間包冶金工藝采用了具有吸收鋼水夾雜物作用的堿性熔渣。在堿性熔渣(CaO/SiO2＞2)中Al2O3-C質(zhì)傳感器的壽命下降至3.5～9小時(shí)。隨著堿性熔渣的使用比例持續(xù)擴(kuò)大，研究適用于該條件下的傳感器材料成為鋼水連續(xù)測(cè)溫傳感器研究的突出問(wèn)題。
　　本文首先分析了堿性熔渣下傳感器的損毀原因;針對(duì)造成傳感器損毀的侵蝕問(wèn)題，提出了采用新型耐堿性熔渣侵蝕的MgO-C材料，并通過(guò)研究材料成分對(duì)抗侵蝕性能的影響確定了比較理想的成分;通

3、過(guò)優(yōu)化材料的粒度級(jí)配提高了傳感器的抗侵蝕性能;通過(guò)研究抗氧化添加劑解決了MgO-C材料易氧化的問(wèn)題;通過(guò)熱應(yīng)力分析研究了新材質(zhì)傳感器的抗熱沖擊性能;最后對(duì)新材質(zhì)傳感器的抗侵蝕和抗熱沖擊性能進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。論文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新工作如下:
　　(1)基于截面輪廓分形維數(shù)研究了傳感器損毀的原因。
　　準(zhǔn)確判斷傳感器的損毀方式是研究適用于堿性熔渣的傳感器材料的前提。傳感器的主要損毀方式包括侵蝕和剝落，兩種方式在實(shí)際損毀過(guò)

4、程中常常同時(shí)發(fā)生，從而難以準(zhǔn)確判斷。本文在分析侵蝕和剝落造成的損毀形貌差異基礎(chǔ)上，提出了基于截面輪廓分形特征的傳感器損毀診斷方法。該方法以盒維數(shù)法計(jì)算出傳感器輪廓線(xiàn)分形維數(shù)，采用Chi2算法對(duì)分形維數(shù)進(jìn)行了離散化，從而確定了損毀類(lèi)型準(zhǔn)確分類(lèi)的維數(shù)閾值。采用該方法，判斷出在堿性熔渣條件下造成Al2O3-C質(zhì)傳感器損毀的主要原因是熔渣侵蝕。
　　(2)提出了采用MgO-C這種新型材質(zhì)作為傳感器材料，并研究了材料成分對(duì)傳感器抗堿性熔渣侵

5、蝕性能的影響。
　　為避免傳感器采用Al2O3-C材料導(dǎo)致骨料易溶解于堿性熔渣的問(wèn)題，本文首次提出采用以MgO為主的MgO-C材質(zhì)作為傳感器材料。在該材料中，一方面利用MgO難溶于堿性熔渣的特性，減緩了侵蝕過(guò)程中的骨料溶解;另一方面利用增加熔渣粘度和尖晶石反應(yīng)的體積膨脹效應(yīng)，抑制了侵蝕過(guò)程中的熔渣滲透，并取得了良好的效果。
　　(3)研究了材料的骨料臨界粒度對(duì)傳感器抗侵蝕性能的影響，優(yōu)化了MgO-C材料的粒度級(jí)配，進(jìn)一步提高

6、抗侵蝕性能。
　　首先研究了骨料臨界粒度對(duì)抗侵蝕性能的影響。試驗(yàn)比較骨料臨界粒度分別為0.5mm、1.0mm、1.5mm和2.0mm的MgO-C質(zhì)傳感器的侵蝕速率和壽命，從熔渣滲透和骨料顆粒溶解兩方面分析了材料的骨料臨界粒度對(duì)傳感器抗侵蝕性能的影響。分析的結(jié)果表明，骨料顆粒越大，骨料溶解和熔渣滲透速率越慢，傳感器的抗侵蝕性能越強(qiáng)。
　　在上述研究的粒度級(jí)配邊界條件基礎(chǔ)上，提出了一種針對(duì)MgO-C傳感器材料的粒度級(jí)配方法，基于

7、緊密堆積理論建立了材料的粒度級(jí)配優(yōu)化模型，通過(guò)模型計(jì)算得到了粒度級(jí)配方案。按該方案進(jìn)行配料，獲得的泥料堆積密度和振實(shí)密度分別達(dá)到1.46g/cm3和1.70g/cm3，均高于經(jīng)驗(yàn)配比泥料。顯微觀察表明，按照該優(yōu)化級(jí)配方案制得的MgO-C材料形成了細(xì)顆粒充分填充粗顆粒之間的致密結(jié)構(gòu)，有利于抑制熔渣滲透，從而提高了材料的抗侵蝕性能。
　　(4)基于有效擴(kuò)散系數(shù)研究了MgO-C材料的抗氧化添加劑。
　　針對(duì)MgO-C材料易氧化引起

8、的傳感器抗侵蝕性能降低問(wèn)題，本文在收縮核模型基礎(chǔ)上提出了“抗氧化添加劑消耗系數(shù)”（其物理意義是與單位量的氧氣反應(yīng)的抗氧化添加劑的量），建立了含有添加劑的含碳耐火材料氧化過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型，基于該模型計(jì)算出含有Mg、Al、Si、SiC和B4C添加劑的含碳材料內(nèi)氣體的有效擴(kuò)散系數(shù)，確定了復(fù)合抗氧化添加劑的成分。工業(yè)試驗(yàn)表明，加入該復(fù)合抗氧化添加劑的MgO-C材料的氧化速率比加入原添加劑時(shí)降低了48％。
　　(5)基于熱應(yīng)力有限元分析研究了

9、MgO-C質(zhì)傳感器的抗熱沖擊性能。
　　根據(jù)鋼水連續(xù)測(cè)溫對(duì)傳感器成本、抗侵蝕性能和響應(yīng)速率的實(shí)際需要，分別設(shè)計(jì)了整體采用MgO-C材料的普通型、渣線(xiàn)部位采用ZrO2-C材料的抗侵蝕型、測(cè)溫段采用高C含量材質(zhì)的快速響應(yīng)型這三種不同結(jié)構(gòu)的傳感器。針對(duì)不同結(jié)構(gòu)傳感器在插入鋼水后由于傳感器溫度劇變引起的熱沖擊損毀問(wèn)題，建立了MgO-C質(zhì)傳感器熱應(yīng)力有限元模型，并對(duì)熱沖擊過(guò)程中傳感器壁面熱應(yīng)力進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，普通型和抗侵蝕型傳感器的最

10、大熱應(yīng)力分別為3.2MPa和3.4MPa，小于材料的最大許用應(yīng)力，滿(mǎn)足實(shí)際抗熱沖擊性能需要;快速響應(yīng)型傳感器的最大熱應(yīng)力為6.0MPa，超過(guò)了材料的最大許用應(yīng)力，不能滿(mǎn)足際抗熱沖擊性能需要。
　　(6)分析了MgO-C質(zhì)傳感器工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)效果。
　　工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)表明，MgO-C質(zhì)傳感器與Al2O3-C質(zhì)傳感器相比，在CaO/SiO2為1.18～4.51的中性及堿性熔渣中，侵蝕速率降低了23～73％，壽命提高了33～176