摘要:介紹了鋼包底吹氬透氣磚、滑動水口、連鑄三大件和ZrO2質(zhì)水口等連鑄用功能耐火材料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,認為:現(xiàn)代連鑄生產(chǎn)工藝對連鑄用功能耐火材料長壽命和高適應性的要求越來越高,單一材質(zhì)體系很難滿足要求;根據(jù)產(chǎn)品不同部位的損毀方式和特點及澆鑄鋼種和冶煉工藝的不同,針對性地研發(fā)新材料將是連鑄用功能耐火材料發(fā)展的現(xiàn)實要求;從材質(zhì)發(fā)展的角度來看,連鑄用功能耐火材料的材質(zhì)向多樣化、復合化發(fā)展將是必然的趨勢。

作者簡介:賀中央:男,1966年生,博士,教授級高級工程師。E-mail:ref1988@126.com;

鋼包底吹氬透氣磚、滑動水口、連鑄三大件、定徑水口是主要的連鑄用功能耐火材料。隨著中國鋼鐵企業(yè)的發(fā)展和連鑄比的提高,功能耐火材料的質(zhì)量水平得到了很大提高。

1鋼包底吹氬透氣磚

底吹氬透氣磚在鋼鐵冶煉中作為不可或缺的功能材料,也是制約鋼包壽命的主要因素。透氣磚的研究主要集中在材料、結(jié)構(gòu)和防漏機構(gòu)三方面。

1.1透氣磚材料研究

透氣磚的材料研究主要集中在剛玉-尖晶石體系和剛玉-氧化鉻體系。雖然非氧化物體系研究比較多,但實際應用中由于鋼廠操作習慣問題,應用效果并不理想。

納米耐火材料的研究在中國也比較流行[1-3],但由于納米粉價格高,分散困難,始終無法實際應用。近期研究主要集中在凝膠粉的應用和直接加入溶膠[4-5]提高材料的強度和力學性能方面。

1.2透氣磚結(jié)構(gòu)設計

狹縫式透氣磚由于壽命長,結(jié)構(gòu)設置靈活,在市場中占據(jù)主導地位。數(shù)值模擬計算和實際使用情況早已證明,狹縫式透氣磚的吹氣氣泡結(jié)構(gòu)不如直通圓孔式[6]。結(jié)合狹縫式和直通圓孔式優(yōu)點開發(fā)的復合透氣磚,在鋼廠取得了很好的使用效果。當圓孔直徑與狹縫寬度數(shù)值相等時,圓孔中液面的附加功是狹縫中的2倍,液體更難滲入圓孔中[5,7]。

早期直通孔透氣磚中圓孔直徑在0.3～0.5 mm之間,現(xiàn)在圓孔直徑和狹縫式透氣磚狹縫厚度在0.1～0.25 mm之間。

傳統(tǒng)的狹縫式透氣磚被直通狹縫分割成許多小薄片,透氣磚的整體結(jié)構(gòu)被破壞,尤其是需要大氣體流量的透氣磚更是如此。在使用過程中,吹氣操作帶來的氣流沖刷作用和鋼包周轉(zhuǎn)帶來的溫度變化會造成這些小薄片的不均勻剝落,加劇透氣磚的損毀。透氣陶瓷棒在透氣磚本體中是一個個自范性的圓柱,周圍的澆注料就像座磚,保護透氣磚的整體結(jié)構(gòu),從結(jié)構(gòu)方面賦予透氣磚良好的預期壽命。

鋼水對不同材料的潤濕性是不一樣的,可以針對不同的冶煉工藝制作不同材質(zhì)的棒體。

陶瓷復合透氣磚的制造工藝流程為:陶瓷棒擠壓成型→陶瓷棒燒成→透氣磚澆注成型→透氣磚燒成→透氣量檢測→透氣磚后期制作。陶瓷復合透氣磚端面設計示意圖見圖1。

圖1 陶瓷復合透氣磚端面設計示意圖

1.3透氣磚的防漏鋼機構(gòu)

透氣磚除了需要良好的吹通率外,還需要有好的安全性。透氣磚的安全性主要是采取不同措施[8-9]來實現(xiàn)的,如透氣磚防漏機構(gòu),其示意圖見圖2。圖中細管為銅管或者不銹鋼管,單向閥可有效防止漏鋼。如果漏鋼,則銅管首先熔化,鋼水凝固,從而保證安全。

圖2 透氣磚防漏機構(gòu)示意圖

1—透氣磚;2—座磚;3—通氣管;4—氣室;5—銅管;6—單向閥

作為向鋼包內(nèi)提供惰性氣體的功能元件,透氣磚在爐外處理工藝中有著舉足輕重的作用,其使用性能的優(yōu)劣與許多因素有關(guān),尤其與材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場操作因素有關(guān)。透氣磚未來發(fā)展趨勢是壽命更長,吹通率更高,并依據(jù)冶煉工藝和鋼種開發(fā)不同材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的透氣磚。

2滑動水口

滑板作為煉鋼連鑄用關(guān)鍵性功能耐火材料,要求其使用穩(wěn)定性高,壽命長。近10年,滑板制造技術(shù)得到了長足的發(fā)展,主要包括滑板材質(zhì)、滑板形狀設計、滑動機構(gòu)以及生產(chǎn)裝備。

2.1滑板材質(zhì)的現(xiàn)狀及進展

目前,國內(nèi)外滑板材質(zhì)仍然以鋁碳質(zhì)、鋁鋯碳質(zhì)為主。另外,對于特殊鋼的澆注,還使用鎂碳質(zhì)、鎂尖晶石質(zhì)、尖晶石碳質(zhì)和鋯質(zhì)滑板。

從生產(chǎn)工藝來分類,又分為高溫燒成型、中溫輕燒型和金屬結(jié)合免燒型滑板。中溫輕燒型滑板和金屬結(jié)合免燒型滑板的使用壽命與傳統(tǒng)高溫燒成型滑板的相當,甚至更優(yōu)。

Hitoyoshi Kinoshita等[10]嘗試在Al2O3-C質(zhì)燒成滑板中添加一種特殊的過渡金屬,借助過渡金屬的催化作用,使材料中的結(jié)合碳石墨化,從而提高材料的抗氧化性和耐磨損性。該滑板在300 t鋼包上應用,其表面磨損率從原來的每爐1.0～2.7 mm降至0.2～1.8 mm。Asako Takenami等[11]開發(fā)了一種新型Al N結(jié)合的燒成滑板,金屬Al熔融揮發(fā)出的Al蒸氣與N2反應生成Al N晶須,其使用效果優(yōu)于傳統(tǒng)β-Si C結(jié)合燒成滑板。日本TYK公司研究了兩種結(jié)合劑HB(Hybrid binder,包括納米炭黑)[12]和高溫型HHB(含B4C的石墨化納米炭黑)[13]。由于石墨化炭納米粒子均勻分散在材料基質(zhì)中,提高了材料的抗熱震性;由于石墨化炭黑中的B4C均勻分布在納米結(jié)構(gòu)基質(zhì)中,提高了材料的抗氧化性能。

王廷力等開發(fā)的金屬結(jié)合免燒滑板,具有優(yōu)良的抗熱震性和高溫強度。又因其不燒成、不浸油、不干餾,簡化了生產(chǎn)流程,為節(jié)能、環(huán)境友好型產(chǎn)品。

在鈣處理鋼用滑板的研究方面,Clenice Moreira Galinari[14]借鑒MgO-C質(zhì)滑板在中間包上的成功經(jīng)驗,開發(fā)出了鈣處理鋼用堿性鋼包滑板,在[Ca]質(zhì)量分數(shù)大于30×10-6的鋼水中,單爐澆鋼時間大于50 min的條件下,使用壽命達到3次。衛(wèi)忠賢等[15]開發(fā)的金屬鋁結(jié)合方鎂石-尖晶石-碳質(zhì)滑板,其使用壽命為2次,抗侵蝕性及抗拉毛性優(yōu)于高溫燒成鋁鋯碳質(zhì)滑板。

2.2滑板形狀設計

將計算機技術(shù)中的有限元(FE)分析方法應用到滑板形狀設計中,模擬滑板在使用過程中因溫度梯度引起的應力分布,并依此優(yōu)化滑板形狀設計,以減少滑板在使用過程中產(chǎn)生的裂紋。

Martin Wiesel[16]介紹了使用有限元分析方法模擬滑板在澆鋼開始后10、30和60 s后的應力分布情況,依此改進形狀的滑板在使用過程中裂紋明顯減少。Shinji Adachi等[17]基于熱應力計算和實驗測量,優(yōu)化設計了滑板磚的形狀,認為傳統(tǒng)形狀的滑板的所有或者一些位置存在張應力,而優(yōu)化設計的滑板僅存在壓應力,因此顯示出穩(wěn)定的性能。

由于裂紋數(shù)量的減少或者沒有延伸到滑板邊緣,空氣難以進入,減輕了滑板的損毀(氧化、磨損等),從而延長了其使用壽命。

2.3滑板的理化性能表

1給出了部分國內(nèi)外滑板的理化性能指標。

表1 部分國內(nèi)外滑板的理化指標

3連鑄三大件

長水口、塞棒和浸入式水口是實現(xiàn)高效連鑄的關(guān)鍵功能耐火材料,其使用性能直接影響連鑄效率和鋼坯質(zhì)量。

3.1長水口

長水口的主要功能是在鋼水澆注過程中隔斷空氣,防止鋼水的二次氧化及氮氣的吸入。長水口的材質(zhì)有熔融石英質(zhì)和Al2O3-C質(zhì)兩種。前者的特點是價格低廉,使用前不需預熱,但其抗鋼水沖蝕性能和抗中間包覆蓋劑、熔渣的侵蝕性能較差;后者的特點是使用壽命長(3～10 h),對鋼種的適應性強,目前也已經(jīng)實現(xiàn)了免烘烤,其近幾年的技術(shù)進步主要體現(xiàn)以下3個方面:1)在本體材料中添加一定量的低膨脹材料(熔融石英等)、碳化硅或鋯莫來石、低熔物相(鉀長石或玻璃粉等),或適當增加鱗片石墨的含量,提高本體材料的抗熱震性能;2)在水口內(nèi)壁復合低膨脹隔熱內(nèi)襯或使水口在熱處理過程中自發(fā)氧化形成一層無碳隔熱保護層;3)在長水口碗部采用低碳抗燒氧材料,渣線部位復合MgO-C或Zr O2-C材料。

3.2整體塞棒

整體塞棒是控制中間包和結(jié)晶器間的鋼水流量,保證連鑄生產(chǎn)高效順行及鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵部件。能夠向鋼水中連續(xù)吹入氬氣的吹氬整體塞棒還具有防止水口絮瘤,減少鑄坯中夾雜物含量和總氧含量,改善鑄坯質(zhì)量的功能[18]。整體塞棒的材質(zhì)主要是Al2O3-C質(zhì)。為保證塞棒使用過程中的可靠性及長時間控流效果,棒頭一般采用低碳材質(zhì),碳的質(zhì)量分數(shù)一般不高于15%,以保證材料具有優(yōu)良的抗鋼水沖蝕性能;而棒身一般采用高碳材質(zhì),碳的質(zhì)量分數(shù)一般不低于26%,渣線處復合MgO-C或Zr O2-C材質(zhì),以增強塞棒的整體抗侵蝕性能。針對[Ca]質(zhì)量分數(shù)在15×10-6以上的鈣處理鋼,需采用MgO-C或Zr O2-C材質(zhì)的棒頭材料[19];針對低碳鋼和高錳鋼,需采用Al2O3-MgO-C(剛玉-尖晶石)材質(zhì)的棒頭材料[20]。

3.3浸入式水口

浸入式水口的主要作用是防止鋼水的二次氧化,控制鋼水的流動狀態(tài)和注入速度,促進夾雜物上浮以及防止結(jié)晶器保護渣卷入鋼水中。其本體材料采用Al2O3-C材質(zhì),渣線部位復合Zr O2-C材質(zhì)。近幾年來,浸入式水口材質(zhì)方面的研究和應用主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1) 對傳統(tǒng)鋁鋯碳材質(zhì)的改進。如降低本體材料中的SiO2及鱗片石墨的含量,添加鋯莫來石、MgO、尖晶石、Si C及金屬粉體等原料,以提高材料的強度、體積密度,從而提高本體材料的抗鋼水沖蝕性能;通過降低Zr O2-C材料中的鱗片石墨含量、顯氣孔率、采用特殊樹脂形成碳纖維結(jié)合結(jié)構(gòu)等措施,顯著延長渣線材料的使用壽命[21]。

(2) 研發(fā)能夠適應不同鋼種澆鑄的新材質(zhì)。如:為解決澆鑄低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼過程中水口絮瘤堵塞的問題,研發(fā)了Zr O2-CaO-C系、無碳Al2O3-SiO2系[22]、MgO-CaO-C系[23]等水口內(nèi)襯材料;為解決高氧鋼澆鑄過程中存在的水口嚴重侵蝕問題,開發(fā)了MA-C質(zhì)材料[24-25];針對于各種鈣處理鋼澆鑄過程中整體內(nèi)裝式浸入式水口的碗部沖蝕嚴重,導致控流失效的問題,研發(fā)了MgO-C質(zhì)材料。(3)為適應板坯連鑄浸入式水口快換技術(shù)的發(fā)展,研發(fā)了高耐磨性、高抗氧化性、低碳的Al2O3-C板面材料。

從上述浸入式水口材質(zhì)的發(fā)展變化不難看出,單一的材質(zhì)難以滿足現(xiàn)代連鑄工藝的要求,浸入式水口的材質(zhì)向多樣化、復合化發(fā)展。

4 ZrO2質(zhì)水口

Zr O2耐火材料因熔融溫度高、化學穩(wěn)定性強而特別耐金屬熔體、爐渣的侵蝕。近幾十年來,含Zr O2耐火材料在冶金和建材領(lǐng)域的應用得到了迅速發(fā)展[26]。

4.1定徑水口

定徑水口是小方坯連鑄用耐火材料之一,起控制鋼水流量的作用。定徑水口的技術(shù)進步,主要體現(xiàn)在材質(zhì)和結(jié)構(gòu)兩方面。

材料的致密化以及Zr O2含量的提高,使定徑水口的使用壽命由最初的1～2 h提高到了目前的10～16 h[27],甚至達到20 h以上。

部分研究者使用溶膠-凝膠工藝對定徑水口內(nèi)芯工作面進行表面改性,使其燒后顯氣孔率從原來的20%降低到11%,提高了表面致密程度,從而提高了其使用壽命[28]。

國內(nèi)外部分廠家定徑水口氧化鋯內(nèi)芯的理化性能指標見表2。

在結(jié)構(gòu)方面,定徑水口由全均質(zhì)發(fā)展到鑲嵌式,不僅提高了產(chǎn)品的抗熱震性,而且因為外套可選低檔次的高鋁等材質(zhì),還可大幅降低材料成本。

表2 國內(nèi)外部分廠家定徑水口氧化鋯內(nèi)芯的理化性能指標

使用快換式定徑水口,中間包可以連續(xù)澆鋼20～50 h,部分廠家的還可達到70 h以上[29-30]。4.2鑲Zr O2襯中間包上水口在塞棒控流澆鋼系統(tǒng)中,鑲Zr O2襯中間包上水口耐侵蝕,擴徑慢,與其他材質(zhì)上水口相比,可明顯提高單個中間包的連續(xù)澆鋼時間。

5結(jié)語

總之,現(xiàn)代連鑄生產(chǎn)工藝對連鑄用功能耐火材料長壽命和高適應性能的要求越來越高,單一的材質(zhì)體系很難滿足要求。根據(jù)產(chǎn)品不同部位損毀方式和特點、澆鑄鋼種及冶煉工藝的不同,針對性地研發(fā)新材料將是連鑄用功能耐火材料發(fā)展的現(xiàn)實要求。從材質(zhì)發(fā)展的角度來看,連鑄用功能耐火材料的材質(zhì)向多樣化、復合化發(fā)展將是必然的趨勢。

來源：中國知網(wǎng)