摘要:介绍了钢包底吹氩透气砖、滑动水口、连铸三大件和ZrO2质水口等连铸用功能耐火材料的现状及发展趋势,认为:现代连铸生产工艺对连铸用功能耐火材料长寿命和高适应性的要求越来越高,单一材质体系很难满足要求;根据产品不同部位的损毁方式和特点及浇铸钢种和冶炼工艺的不同,针对性地研发新材料将是连铸用功能耐火材料发展的现实要求;从材质发展的角度来看,连铸用功能耐火材料的材质向多样化、复合化发展将是必然的趋势。

作者简介:贺中央:男,1966年生,博士,教授级高级工程师。E-mail:ref1988@126.com;

钢包底吹氩透气砖、滑动水口、连铸三大件、定径水口是主要的连铸用功能耐火材料。随着中国钢铁企业的发展和连铸比的提高,功能耐火材料的质量水平得到了很大提高。

1钢包底吹氩透气砖

底吹氩透气砖在钢铁冶炼中作为不可或缺的功能材料,也是制约钢包寿命的主要因素。透气砖的研究主要集中在材料、结构和防漏机构三方面。

1.1透气砖材料研究

透气砖的材料研究主要集中在刚玉-尖晶石体系和刚玉-氧化铬体系。虽然非氧化物体系研究比较多,但实际应用中由于钢厂操作习惯问题,应用效果并不理想。

纳米耐火材料的研究在中国也比较流行[1-3],但由于纳米粉价格高,分散困难,始终无法实际应用。近期研究主要集中在凝胶粉的应用和直接加入溶胶[4-5]提高材料的强度和力学性能方面。

1.2透气砖结构设计

狭缝式透气砖由于寿命长,结构设置灵活,在市场中占据主导地位。数值模拟计算和实际使用情况早已证明,狭缝式透气砖的吹气气泡结构不如直通圆孔式[6]。结合狭缝式和直通圆孔式优点开发的复合透气砖,在钢厂取得了很好的使用效果。当圆孔直径与狭缝宽度数值相等时,圆孔中液面的附加功是狭缝中的2倍,液体更难渗入圆孔中[5,7]。

早期直通孔透气砖中圆孔直径在0.3～0.5 mm之间,现在圆孔直径和狭缝式透气砖狭缝厚度在0.1～0.25 mm之间。

传统的狭缝式透气砖被直通狭缝分割成许多小薄片,透气砖的整体结构被破坏,尤其是需要大气体流量的透气砖更是如此。在使用过程中,吹气操作带来的气流冲刷作用和钢包周转带来的温度变化会造成这些小薄片的不均匀剥落,加剧透气砖的损毁。透气陶瓷棒在透气砖本体中是一个个自范性的圆柱,周围的浇注料就像座砖,保护透气砖的整体结构,从结构方面赋予透气砖良好的预期寿命。

钢水对不同材料的润湿性是不一样的,可以针对不同的冶炼工艺制作不同材质的棒体。

陶瓷复合透气砖的制造工艺流程为:陶瓷棒挤压成型→陶瓷棒烧成→透气砖浇注成型→透气砖烧成→透气量检测→透气砖后期制作。陶瓷复合透气砖端面设计示意图见图1。

图1 陶瓷复合透气砖端面设计示意图

1.3透气砖的防漏钢机构

透气砖除了需要良好的吹通率外,还需要有好的安全性。透气砖的安全性主要是采取不同措施[8-9]来实现的,如透气砖防漏机构,其示意图见图2。图中细管为铜管或者不锈钢管,单向阀可有效防止漏钢。如果漏钢,则铜管首先熔化,钢水凝固,从而保证安全。

图2 透气砖防漏机构示意图

1—透气砖;2—座砖;3—通气管;4—气室;5—铜管;6—单向阀

作为向钢包内提供惰性气体的功能元件,透气砖在炉外处理工艺中有着举足轻重的作用,其使用性能的优劣与许多因素有关,尤其与材质、结构及现场操作因素有关。透气砖未来发展趋势是寿命更长,吹通率更高,并依据冶炼工艺和钢种开发不同材质和结构的透气砖。

2滑动水口

滑板作为炼钢连铸用关键性功能耐火材料,要求其使用稳定性高,寿命长。近10年,滑板制造技术得到了长足的发展,主要包括滑板材质、滑板形状设计、滑动机构以及生产装备。

2.1滑板材质的现状及进展

目前,国内外滑板材质仍然以铝碳质、铝锆碳质为主。另外,对于特殊钢的浇注,还使用镁碳质、镁尖晶石质、尖晶石碳质和锆质滑板。

从生产工艺来分类,又分为高温烧成型、中温轻烧型和金属结合免烧型滑板。中温轻烧型滑板和金属结合免烧型滑板的使用寿命与传统高温烧成型滑板的相当,甚至更优。

Hitoyoshi Kinoshita等[10]尝试在Al2O3-C质烧成滑板中添加一种特殊的过渡金属,借助过渡金属的催化作用,使材料中的结合碳石墨化,从而提高材料的抗氧化性和耐磨损性。该滑板在300 t钢包上应用,其表面磨损率从原来的每炉1.0～2.7 mm降至0.2～1.8 mm。Asako Takenami等[11]开发了一种新型Al N结合的烧成滑板,金属Al熔融挥发出的Al蒸气与N2反应生成Al N晶须,其使用效果优于传统β-Si C结合烧成滑板。日本TYK公司研究了两种结合剂HB(Hybrid binder,包括纳米炭黑)[12]和高温型HHB(含B4C的石墨化纳米炭黑)[13]。由于石墨化炭纳米粒子均匀分散在材料基质中,提高了材料的抗热震性;由于石墨化炭黑中的B4C均匀分布在纳米结构基质中,提高了材料的抗氧化性能。

王廷力等开发的金属结合免烧滑板,具有优良的抗热震性和高温强度。又因其不烧成、不浸油、不干馏,简化了生产流程,为节能、环境友好型产品。

在钙处理钢用滑板的研究方面,Clenice Moreira Galinari[14]借鉴MgO-C质滑板在中间包上的成功经验,开发出了钙处理钢用碱性钢包滑板,在[Ca]质量分数大于30×10-6的钢水中,单炉浇钢时间大于50 min的条件下,使用寿命达到3次。卫忠贤等[15]开发的金属铝结合方镁石-尖晶石-碳质滑板,其使用寿命为2次,抗侵蚀性及抗拉毛性优于高温烧成铝锆碳质滑板。

2.2滑板形状设计

将计算机技术中的有限元(FE)分析方法应用到滑板形状设计中,模拟滑板在使用过程中因温度梯度引起的应力分布,并依此优化滑板形状设计,以减少滑板在使用过程中产生的裂纹。

Martin Wiesel[16]介绍了使用有限元分析方法模拟滑板在浇钢开始后10、30和60 s后的应力分布情况,依此改进形状的滑板在使用过程中裂纹明显减少。Shinji Adachi等[17]基于热应力计算和实验测量,优化设计了滑板砖的形状,认为传统形状的滑板的所有或者一些位置存在张应力,而优化设计的滑板仅存在压应力,因此显示出稳定的性能。

由于裂纹数量的减少或者没有延伸到滑板边缘,空气难以进入,减轻了滑板的损毁(氧化、磨损等),从而延长了其使用寿命。

2.3滑板的理化性能表

1给出了部分国内外滑板的理化性能指标。

表1 部分国内外滑板的理化指标

3连铸三大件

长水口、塞棒和浸入式水口是实现高效连铸的关键功能耐火材料,其使用性能直接影响连铸效率和钢坯质量。

3.1长水口

长水口的主要功能是在钢水浇注过程中隔断空气,防止钢水的二次氧化及氮气的吸入。长水口的材质有熔融石英质和Al2O3-C质两种。前者的特点是价格低廉,使用前不需预热,但其抗钢水冲蚀性能和抗中间包覆盖剂、熔渣的侵蚀性能较差;后者的特点是使用寿命长(3～10 h),对钢种的适应性强,目前也已经实现了免烘烤,其近几年的技术进步主要体现以下3个方面:1)在本体材料中添加一定量的低膨胀材料(熔融石英等)、碳化硅或锆莫来石、低熔物相(钾长石或玻璃粉等),或适当增加鳞片石墨的含量,提高本体材料的抗热震性能;2)在水口内壁复合低膨胀隔热内衬或使水口在热处理过程中自发氧化形成一层无碳隔热保护层;3)在长水口碗部采用低碳抗烧氧材料,渣线部位复合MgO-C或Zr O2-C材料。

3.2整体塞棒

整体塞棒是控制中间包和结晶器间的钢水流量,保证连铸生产高效顺行及铸坯质量的关键部件。能够向钢水中连续吹入氩气的吹氩整体塞棒还具有防止水口絮瘤,减少铸坯中夹杂物含量和总氧含量,改善铸坯质量的功能[18]。整体塞棒的材质主要是Al2O3-C质。为保证塞棒使用过程中的可靠性及长时间控流效果,棒头一般采用低碳材质,碳的质量分数一般不高于15%,以保证材料具有优良的抗钢水冲蚀性能;而棒身一般采用高碳材质,碳的质量分数一般不低于26%,渣线处复合MgO-C或Zr O2-C材质,以增强塞棒的整体抗侵蚀性能。针对[Ca]质量分数在15×10-6以上的钙处理钢,需采用MgO-C或Zr O2-C材质的棒头材料[19];针对低碳钢和高锰钢,需采用Al2O3-MgO-C(刚玉-尖晶石)材质的棒头材料[20]。

3.3浸入式水口

浸入式水口的主要作用是防止钢水的二次氧化,控制钢水的流动状态和注入速度,促进夹杂物上浮以及防止结晶器保护渣卷入钢水中。其本体材料采用Al2O3-C材质,渣线部位复合Zr O2-C材质。近几年来,浸入式水口材质方面的研究和应用主要体现在以下几个方面:

(1) 对传统铝锆碳材质的改进。如降低本体材料中的SiO2及鳞片石墨的含量,添加锆莫来石、MgO、尖晶石、Si C及金属粉体等原料,以提高材料的强度、体积密度,从而提高本体材料的抗钢水冲蚀性能;通过降低Zr O2-C材料中的鳞片石墨含量、显气孔率、采用特殊树脂形成碳纤维结合结构等措施,显著延长渣线材料的使用寿命[21]。

(2) 研发能够适应不同钢种浇铸的新材质。如:为解决浇铸低碳铝镇静钢过程中水口絮瘤堵塞的问题,研发了Zr O2-CaO-C系、无碳Al2O3-SiO2系[22]、MgO-CaO-C系[23]等水口内衬材料;为解决高氧钢浇铸过程中存在的水口严重侵蚀问题,开发了MA-C质材料[24-25];针对于各种钙处理钢浇铸过程中整体内装式浸入式水口的碗部冲蚀严重,导致控流失效的问题,研发了MgO-C质材料。(3)为适应板坯连铸浸入式水口快换技术的发展,研发了高耐磨性、高抗氧化性、低碳的Al2O3-C板面材料。

从上述浸入式水口材质的发展变化不难看出,单一的材质难以满足现代连铸工艺的要求,浸入式水口的材质向多样化、复合化发展。

4 ZrO2质水口

Zr O2耐火材料因熔融温度高、化学稳定性强而特别耐金属熔体、炉渣的侵蚀。近几十年来,含Zr O2耐火材料在冶金和建材领域的应用得到了迅速发展[26]。

4.1定径水口

定径水口是小方坯连铸用耐火材料之一,起控制钢水流量的作用。定径水口的技术进步,主要体现在材质和结构两方面。

材料的致密化以及Zr O2含量的提高,使定径水口的使用寿命由最初的1～2 h提高到了目前的10～16 h[27],甚至达到20 h以上。

部分研究者使用溶胶-凝胶工艺对定径水口内芯工作面进行表面改性,使其烧后显气孔率从原来的20%降低到11%,提高了表面致密程度,从而提高了其使用寿命[28]。

国内外部分厂家定径水口氧化锆内芯的理化性能指标见表2。

在结构方面,定径水口由全均质发展到镶嵌式,不仅提高了产品的抗热震性,而且因为外套可选低档次的高铝等材质,还可大幅降低材料成本。

表2 国内外部分厂家定径水口氧化锆内芯的理化性能指标

使用快换式定径水口,中间包可以连续浇钢20～50 h,部分厂家的还可达到70 h以上[29-30]。4.2镶Zr O2衬中间包上水口在塞棒控流浇钢系统中,镶Zr O2衬中间包上水口耐侵蚀,扩径慢,与其他材质上水口相比,可明显提高单个中间包的连续浇钢时间。

5结语

总之,现代连铸生产工艺对连铸用功能耐火材料长寿命和高适应性能的要求越来越高,单一的材质体系很难满足要求。根据产品不同部位损毁方式和特点、浇铸钢种及冶炼工艺的不同,针对性地研发新材料将是连铸用功能耐火材料发展的现实要求。从材质发展的角度来看,连铸用功能耐火材料的材质向多样化、复合化发展将是必然的趋势。

来源：中国知网