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、結構和防漏機構三方面。

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,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提高材料的強度和力學性能方面。

1.2透氣磚結構設計

     狹縫式透氣磚由于壽命長,結構設置靈活,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構不如直通圓孔式。結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。

     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,透氣磚的整體結構被破壞,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構,從結構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

     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來實現(xiàn)的,如透氣磚防漏機構,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,尤其與材質(zhì)、結構及現(xiàn)場操作因素有關。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)和結構的透氣磚。

2滑動水口

     滑板作為煉鋼連鑄用關鍵性功能耐火材料,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合免燒型滑板。中溫輕燒型滑板和金屬結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等開發(fā)了一種新型Al N結合的燒成滑板,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結合燒成滑板。日本TYK公司研究了兩種結合劑HB(Hybrid binder,包括納米炭黑)和高溫型HHB(含B4C的石墨化納米炭黑)。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均勻分布在納米結構基質(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)忠賢等開發(fā)的金屬鋁結合方鎂石-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。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;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。

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合結構等措施,顯著延長渣線材料的使用壽命。

(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、MgO-CaO-C系等水口內(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;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域的應用得到了迅速發(fā)展。

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。定徑水口的技術進步,主要體現(xiàn)在材質(zhì)和結構兩方面。

     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,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。

     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。

     在結構方面,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。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。

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