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新闻动态
洁净钢连铸用长寿无碳耐火材料的发展动态

1 前言

 自八十年代以来,由于世界各国在国防、交通、石油及汽车等行业的发展与技术进步,对钢材性能的要求日益苛刻。实践证明,钢材的纯净度越高,其性能越高,使用寿命也越长。钢中杂质含量降到一定水平时,钢材的性能将发生质变。如钢中碳含量从40×10-6降至10×10-6时,深冲钢的伸长率可增加7%;轴承钢中氧含量从30×10-6降低到5×10-6时,轴承寿命可提高30倍。对汽车工业而言,汽车钢板的超深冲成形性主要通过降碳和提高钢的纯净度。近几年来,钢中含碳量的国际先进水平已经降到了1020ppm。近几十年来,随着冶炼技术的发展进步,钢的洁净度水平不断提高,以钢中[C][P][S][H][N][O]含量为例,目前工业发达国家,上述杂质总量已可控制在40ppm以下。随着社会需求的不断提高和工业技术的发展,预计未来对钢的洁净度将提出更高的要求。

 高纯净钢的生产除了需要在冶炼技术上采取相应的新工艺、新技术外,还与相关耐火材料的技术与质量密切相关。从某种程度上讲,耐火材料产品质量的优劣,决定了高纯净钢生产的成败。冶炼过程中,若耐火材料使用不当,钢水会与耐火材料反应,从而导致钢水增碳、增氧、增夹杂等不良后果。钢水的洁净度难以达到高纯净钢的要求。而若采用合适的耐火材料,不仅可以防止耐火材料对钢水的二次污染,而且还可以吸收钢水中的PS等杂质,起到净化钢水的作用。

 目前连铸用耐火材料主要还是含碳材料。下表1为钢包、中间包系统含碳耐火材料的使用情况。碳的存在显然对高纯净钢的浇铸是不利的。因此,通过材质的改进,开发无碳或低碳连铸用耐火材质体系,以尽可能降低碳对钢水的污染,同时也达到提高其使用寿命的目的。

1  钢包、中间包系统含碳耐火材料使用情况

部位

常用材质

含碳量

钢包渣线

镁碳砖

12

钢包壁

铝镁碳砖

8

钢包上水口

铝碳砖

10

钢包滑板

铝碳锆质

9

中间包滑板

铝碳锆质

9

塞棒

铝碳质

1020

长水口

铝碳质

2530

浸入式水口

铝碳质

2530

2 研究进展

  20世纪80年代前后,含碳耐火材料在钢铁冶炼炉衬中使用取得了巨大成功。几十年来,炼钢转炉、电炉、钢包等炉衬用耐火材料,如镁碳砖、铝镁碳砖,以及连铸系统用功能耐火材料,如铝碳质、铝锆碳质水口、滑板、塞棒等含碳耐火材料在炼钢工艺过程中一直发挥着重要作用。但随着我国对各种优质钢种需求的不断增加,如汽车工业的迅速发展对低碳高强钢板的需求的急剧增加,钢铁冶炼技术人员对各种耐火材料在冶金工艺过程中对钢中的增碳愈加重视起来,要求在冶炼低碳优质钢种工艺过程中尽量减少含碳耐火材料的使用对钢水降碳所带来的不利影响。为了满足钢铁冶金工艺的要求,连铸用无碳耐火材料的开发与应用受到了耐火材料科研人员的广泛重视。下面简单介绍连铸用耐火材料的国内外发展状况。

2.1 浸入式水口的研究进展

 随着钢铁连铸工业几十年的发展历史,作为连铸三大件的重要组成部分浸入式水口经历了几代产品的更新。最初使用的是石英质水口,由于石英质水口耐侵蚀性较差,后来发展了铝碳质水口。铝碳浸入式水口的优点是在抗侵蚀、抗热震性等性能上有了很大的提高,对钢种的适应性强,几乎适用所有钢种。但缺点是由于水口中含有大量的碳和硅成分,在浇铸过程中会使钢液增碳增硅,使钢液夹杂物量增大,影响钢的质量,尤其对于连铸高品质钢影响更大。

 另外,碳和硅也是铝碳浸入式水口结瘤的主要原因之一,其反应机理如下:

  C()+1/2O2()=CO()

  SiO2(固)CO()SiO()CO2()

  SiC()CO()SiO()2C()

  3SiO()+2Al=Al2O3()+3Si

 水口的结瘤不但堵塞钢水从中间包流向结晶器,影响其使用寿命,同时它还影响钢水的流向,从而影响钢水的质量。为解决这一问题,不少研究工作者做了大量的工作,同时也取得了很大的进展。

 目前,为防止浸入式水口对钢水的增碳及A1203的结瘤堵塞,国内外已研究开发的材质有:Sialon-Zr02CaO-MgO-Al2O3ZrO2-ZrB2-CBN-A1N-CCaO-ZrO2–SiO2ZrO2–BN-Si3N4ZrO2-CaO-C等。日本近期在开发无硅无碳的浸入式水口内衬材料上做了不少工作。Yochiro Kawabe等开发了一种不含碳的新型抗氧化铝沉积材料,同普通材料相比,不含碳材料具有较好的抗氧化铝堵塞性与沉积性。目前,内壁复合材料主要是尖晶石材料和Al2O3-SiO2材料。例如,MnO系非金属夹杂物多的高氧钢,使用开发的尖晶石浸入式水口,与原来的铝碳质浸入式水口相比,熔损量减少到l/10,铸坯质量大幅度改善了。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。由于该两种材料从根本上减少了水口内壁网状氧化铝的来源,因此是一种非常有前景的防氧化铝堵塞内衬材料,同时也更适用于洁净钢及超低碳钢等钢种的冶炼。尖晶石和Al2O3-SiO2内衬材料的化学组成及物理性能如表2所示。

2  铝碳本体材料和内衬材料的化学组成及物理性能

 

铝碳本体材料

尖晶石内衬

Al2O3-SiO2内衬

Al2O3

65.9

76.0

63.0

SiO2

-

-

35.0

MgO

-

23.0

-

C

28.6

-

-

SiC

4.6

-

-

显气孔率,%

16.5

23.5

20.1

体检密度,g/cm3

2.55

2.68

2.55

抗折强度,MPa

9.8

7.5

7.2

导热率,W/m.k

35.0

4.3

2.7

  据文献介绍,采用浇注方法制作了不含碳的浸入式水口,其化学组成如表3所示。日本八幡钢铁厂通过使用上述无碳浸入式水口,避免了由水口堵塞引起的操作和质量事故,减少了由降低吹入Ar气流量引起的产品缺陷,其连浇次数为5炉。

3  无碳浸入式水口的化学组成

项目

Al2O3

SiO2

CaO

MgO

HA-1

95

-

2

3

AS


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