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连铸用功能耐火材料的发展和使用特点

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连铸用功能耐火材料的发展和使用特点

发布日期:2018-07-03 00:00 来源:http://www.zzkrnc.com 点击:

目前世界上将近80%的钢坯采用连铸技术生产,长水口、塞棒和浸入式水口是实现高可靠性连铸的关键耐火材料,其性能好坏直接影响连铸效率和钢坯质量。随着现代高速高效连铸技术及洁净钢冶炼技术的发展,必须进一步提高现有连铸用功能耐火材料的性能,开发新型材质,连铸用功能耐火材料正向着高性能、多功能、长寿命的方向发展。本文阐述了连铸用功能耐火材料的某些关键性能和提高使用寿命的措施及最近的发展趋势。

连铸用功能耐火材料的发展和使用特点

浸入式水口

浸入式水口的性能和使用行为直接影响连铸效率和铸坯质量。在使用过程中要求浸入式水口耐钢液和结晶器保护渣侵蚀,不与钢水中物质反应生成堵塞物。最初的浸入式水口采用熔融石英材料,但其抗侵蚀性差,不能满足多炉连铸和洁净钢生产的需要。目前主要采用本体为Al2O3-C质、渣线复合ZrO2-C质的复合式浸入式水口。在满足抗热震性的前提下,渣线材质抗结晶器保护渣的侵蚀性能和水口内部抵抗Al2O3结瘤的性能是决定浸入式水口使用寿命的关键因素。

1、氧化铝堵塞及其防止措施

在浇铸一些特殊钢及Al或Al-Si镇静钢时所用Al2O3-C质或Al2O3-ZrO2-C质浸入式水口往往产生Al2O3结瘤现象,造成钢液流态不稳定,甚至水口堵死,破坏了正常铸流并影响钢坯质量,现已成为限制Al2O3-C质或Al2O3-ZrO2-C质浸入式水口实现多炉连铸、提高连铸效率的主要障碍。造成氧化铝在水口内壁结瘤的可能原因有:

一是钢液脱氧生成Al2O3;

二是耐火材料中所含SiO2和碳促使Al2O3的形成,其反应如下:

SiO2(s)+C(s)=SiO(g)+CO(g)

3SiO(g)+2Al(l)=Al2O3(s)+3Si(l)

3CO(g)+2Al(l)=Al2O3(s)+3C(s)

三是Al2O3微粒在氧化铝和钢液表面张力等作用下在浸入式水口内壁接触、附着长大。为减少Al2O3结瘤,从机理上讲可采用以下措施:使脱氧生成物Al2O3低熔点化,例如用Ca处理钢水,使Al2O3转变为Al2O3-CaO系低熔点物质;采用脱气处理技术净化钢液;控制钢液温度下降;改变水口内衬材质使其中的某一成分在高温下与Al2O3作用,在钢液和耐火材料界面生成低熔点相,被钢液带走并进入渣中,以消除Al2O3沉积。如水口内壁复合含CaO的物质;采用无硅无碳水口内衬材质,从根本上减少Al2O3的形成。

目前,对防Al2O3堵塞浸入式水口的研究主要集中在水口内衬材质上。已研究开发的材质有:Sialon-ZrO2、CaO-MgO-Al2O3、ZrO2-ZrB2-C、BN-AlN-C、ZrO2-CaO-C等,最近还开发了无硅无碳型内衬材料。根据氧化铝与耐火材料中的某一成分反应形成低熔点物质的原理,研制开发的ZrO2-CaO-C材料已在实际中得到成功应用。然而针对具体钢种和浇铸条件,很难确定达到最佳防Al2O3堵塞效果的内衬材料中CaO含量,而且随着浇铸进行,石墨氧化往往造成内壁工作面粗糙不平,从而难以获得较好的防氧化铝堵塞效果。

日本最近开发并试用了无硅无碳的浸入式水口内衬材料,通过内壁复合尖晶石材料,实机浇铸试验证明Al2O3结瘤明显降低了,浇铸后内壁工作表面平滑,材料具有良好的抗热震性。由于该种材料从根本上减少了氧化铝的来源,因此是一种非常有前景的防氧化铝堵塞内衬材料。此种内衬材料也更适用于洁净钢及超低碳钢等钢种的冶炼。目前,我国已成功开发了ZrO2-CaO-C材料,并在武汉钢铁集团、天津大无缝等厂家成功应用。而无硅无碳内衬材质的研究则刚刚起步,为满足我国高洁净钢冶炼的需要,无硅无碳浸入式水口内衬材质的开发具有特别重要的意义。

2、渣线材质的抗侵蚀性能

浸入式水口渣线部位的抗侵蚀性能是影响其寿命的另一个重要因素。目前在渣线处普遍采用ZrO2-C材料,与以往的Al2O3-C材料相比,抗侵蚀性得到了明显的提高。一般来说,碳含量为15%的ZrO2-C材料具有较好的综合性能。

ZrO2-C材料的侵蚀机理包括:由熔钢引起碳素的氧化、溶解;ZrO2的稳定剂CaO与渣中的侵蚀性成分如SiO2、Na2O等反应脱溶,致使部分稳定的氧化锆迸裂转化为细小的单斜氧化锆。前者导致ZrO2-C材料组织结构脆化,后者引起m-ZrO2及玻璃相的产生,并使ZrO2-C材料伴随洁净器的振荡运动被冲刷掉进入熔渣。在浇铸某些特种钢或在某些特定的浇铸工艺下ZrO2-C材质的抗侵蚀能力面临更为严峻的考验,如浇铸高氧钢、限制中间包提包的浇铸及薄板坯连铸时,无法实现高效多炉连铸。

为了进一步提高渣线材质的抗侵蚀性,可从水口结构及材料组成两方面考虑。根据ZrO2-C材料的侵蚀机理,降低ZrO2-C材质中碳含量可能提高其抗侵蚀性,然而碳含量的减少必将牺牲抗热震性能。为此,DiDier研制开发了渣线部位由3层结构组成的浸入式水口。

薄板坯连铸用浸入式水口

浸入式水口是实现薄板坯连铸工艺的三大关键材料之一。由于薄板坯连铸的铸坯很薄,厚度仅为50~70mm,从而要求结晶器两侧壁之间的距离要短。相应地,浸入式水口的外形尺寸严格受制于结晶器的形状和大小。为保证与普通板坯连铸相同的生产率,水口内腔应尽可能大。这些因素导致水口必须设计成为薄壁,壁厚一般为10~17.5mm。然而,决定水口使用寿命关键因素的渣线部位的耐侵蚀行为与水口壁的厚度成正比,即在使用相同组分保护渣的情况下,薄板坯连铸用水口的使用寿命要短于普通连铸用浸入式水口。另外,由于薄板坯连铸工艺中结晶器振动频率高,钢液在水口内流速快,保护渣粘度小而更具蚀损性等,浸入式水口将面临更严峻的考验。

因此,为了提高薄板坯连铸用浸入式水口的使用寿命,水口材质在性能上必须具备优良的抗热震性能、高抗侵蚀性、高的热态强度和优良的抗氧化性。此外,由于薄板坯连铸用浸入式水口的外形尺寸受结晶器形状的限制,结构较为复杂,在设计及制备时应避免产生结构应力。

由于浸入式水口壁薄(15mm),使用寿命一般为3炉,从而严重地制约了连铸过程和连铸效率的提高。因此,有待于开发新的性能优良的浸入式水口材质。随着我国钢铁工业向高效连铸方向发展,薄板坯连铸近两年在我国得到快速发展,但是所用浸入式水口全部依赖进口。因此,研究薄板坯连铸用浸入式水口无论在我国还是在世界上均是连铸耐火材料的一个重要课题。

长水口

长水口材质的设计主要依据浇铸钢种、浇铸时间及中间包覆盖剂的种类。目前主要采用Al2O3-C材质,该材质对钢种的适应性强,特别适合浇铸特殊钢,对钢水污染小。

为了满足高效连铸的需要,可根据长水口各部位不同的使用条件进行最佳组成设计,以获得最长的使用寿命。腕部磨损且并容易吸入空气,通常采用低SiO2或不含SiO2的Al2O3-C材料或适当降低石墨的含量。由于受中间包覆盖剂及钢水侵蚀,渣线部位往往成为影响长水口寿命的主要因素,为了提高渣线部位的抗侵蚀性,根据浇铸钢种和中间包覆盖剂的不同,可采用ZrO2-C或MgO-C材质。

目前,长水口主要有两个发展方向。一是不含SiO2长水口的研制。传统的Al2O3-C质长水口通常含有一定数量的熔融石英以提高抗热震性。然而,由于SiO2与MnO或FeO反应生成低熔点物质,从而降低了材料的抗侵蚀和抗冲刷性能。因此,在浇铸高锰钢或高氧钢时,研制开发了不含SiO2的Al2O3-C材料。相对于传统的Al2O3-C材料,该材料热膨胀系数相对较大,必须精确控制预热条件。


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