第七章 连铸用耐火材料

1 作业 电炉底用干式捣打料 杨攀 陈家栋 陈振威 RH浸渍管用浇注料 林万兴 欧小燕 郑延峰 钢包渣线用镁碳砖 姜尚鹏 祝日新 赵社龙 钢包用透气砖 郝东 徐美军 黄粟 中间包用干式震动料 遇龙 鲍立柱 翟超凡 薄板坯连铸浸入式水口 薛宝达 魏星光 杨海军 2 连续铸钢简称为连铸 是钢水不断地通过水冷结晶器 凝成硬壳后从结晶器下方出口连续拉出 经喷水冷却全部凝固后切成坯料的一种铸造工艺 6 连铸用耐火材料 3 连铸示意图 4 6 连铸用耐火材料 连铸系统用耐火材料品种包括 钢包耐火材料 钢包衬 透气元件 功能耐火材料 指中间包耐火材料 无氧化浇注用长水口 浸入式水口 钢流控制用滑动水口 整体塞棒 净化钢水用挡渣墙 湍流器 气幕挡墙材料等 5 6 6 1中间包用耐火材料 中间包由中间包本体 中间包盖 塞棒 中间包滑动水口组成 7 6 1 1中间包的结构 图1 2中间包用耐火材料示意图 8 6 1 2中间包耐火衬的发展历程 中间包耐火衬主要包括绝热层 永久层和工作层 中间包的绝热层一直用绝热纤维或保温砖 几乎没有经历什么变化 永久层70年代中期主要用粘土砖砌筑 后来使用高铝砖砌筑 到80年代末期开始使用浇注料整体浇注成形 9 工作层早期的时候是用高铝质的耐火砖 后来为了保持钢液在浇铸时中间包内钢液温度变化不超过15 工作层开始采用绝热板工作衬 后来绝热板被具有同样功能的耐火涂抹料和耐火喷涂料所代替 随着中间包耐火材料的发展 最新的干式振动料以显著的优势开始代替耐火喷涂料 中间包工作层用耐火材料经历了耐火粘土砖 永久层即工作层 绝热板 喷涂料 涂抹料 及最新的干式振动料 即干性工作衬 的发展历程 10 1 保温层 绝热层 纤维板 石棉板 保温砖或轻质浇注料 2 永久层 莫来石质浇注料 高铝质浇注料 3 工作层 绝热板 硅质 镁质 镁橄榄石质涂抹料 镁质 镁铬质 镁钙质干振料 镁质 镁钙质 4 座砖 高铝质 刚玉质 5 包底 与工作层相当 冲击区镁质预制块 刚玉质预制块 6 挡渣墙 堰 铝镁质 镁质 6 1 3中间包内衬用耐火材料 11 中间包涂抹料施工现场中间包喷补料施工现场 12 13 挡渣墙 堰 14 在中间包内设置若干挡渣墙或挡渣堰 可改变钢水的流向和流态 延长钢水流到水口的时间 可有效地促进夹杂物上浮分离 均匀钢水成分和温度 钢液流股状态示意图 15 中间包挡渣堰的材质有镁铝质 镁质或镁铬质几种 镁质挡渣堰与高铝质挡渣堰相比成本降低 其性能和冶金效果是 具有良好的抗热震性 在工作温度下具有最佳的热态强度 浸泡中钢水中强度高 带入到钢水中的氧含量比高铝质减少80 可吸收钢中的夹杂物Al2O3 在表面形成镁铝尖晶石 16 17 中间包气幕挡墙 18 19 作用 可以有效地改善中间包内钢水的流动形态和夹杂物的运行轨迹 从而达到去除小颗粒夹杂物的目的 甚至有脱气的作用 中间包内吹氩形成的气幕改善了中间包流场 可以减少短路流的形成和死区比率 延长钢液在中间包内的停留时间 夹杂物有足够的上浮去除时间 气幕挡墙的形成可以 抬起 钢液 也缩短了夹杂物上浮的距离 另外 气体的搅动作用增强了小颗粒夹杂物的碰撞机会 容易使小颗粒夹杂物发生碰撞并聚集长大 更易于去除 20 21 中间包冲击垫和湍流器 22 作用 防止中间包底部耐火材料受钢水的高速冲击 进而延长中间包的使用寿命 在一定程度上也能使中间包内的钢水流动状态发生改变 增加停留的时间 减少死区体积 有利于夹杂物上浮 从而提高钢材品质 23 6 2连铸 三大件 6 2 1钢包长水口6 2 2中间包塞棒6 2 3中间包浸入式水口 24 25 6 2 1钢包长水口 Shround 26 长水口的作用 保护钢水浇注时不受二次氧化 改善钢水质量 防止钢流飞溅 操作安全 长水口的功能 优异的抗热震性 良好的机械强度 抗钢液和熔渣的侵蚀性好 连接处必须带有气缝装置 防止钢水吸收空气而被氧化 27 常见的密封装置有两类 一类是带透气环长水口 一类是带吹氩环的长水口 28 长水口用材质与发展 初期材质 熔融石英质长水口 不利于生产高纯洁净钢和高锰钢 铝碳质 本体为铝碳质 渣线部位为ZrO2增强的ZrO2 C质 透气环为氧化铝质 国外薄板坯连铸使用的是镁碳 刚玉碳 锆碳复合长水口 日本用钢纤维增强铝碳质长水口 对解决水口的断头问题和提高间歇操作有效 29 表长水口的理化指标 30 6 2 2中间包整体塞棒 Stopper 塞棒主要用于中间包开闭作用 除能自动控制中间包至结晶器之间的钢水流量外 还可以通过塞棒的吹氩孔向中间包吹入氩气和其它惰性气体 塞棒兼有控制钢流和净化钢水的功能 塞棒仅在开浇及停浇时使用 平时处于打开的状态 由于开浇时滑动水口是打开状态 钢流控制由塞棒进行 在接近结束浇注时 为了防止中间包内的熔渣被漩涡带进结晶器 利用塞棒来阻挡漩涡 31 32 塞棒的类型有 1 组合塞棒 2 整体塞棒 塞棒的材质和结构发展中间包塞棒由袖砖和塞头砖组成 用以包覆塞杆组成塞棒 包底处砌筑座砖和水口 以此组成浇钢控制系统 为了防止浸入式水口的堵塞 目前大多改用带有吹气功能的整体塞棒 材质 刚玉质 Al2O3 C质 Al2O3 SiC C质 33 表组合塞棒和复合塞棒的性能指标 34 6 2 3中间包浸入式水口 SubmergedNozzles 35 浸入式水口安装在中间包的底部 并插入结晶器内 36 37 1 浸入式水口的作用 1 防止钢水的二次氧化 氮化和钢水飞溅 2 调节钢水流动状态和注入速度 3 防止保护渣非金属夹杂物卷入钢水中 对促进钢水中夹杂物上浮起重要作用 4 对连铸坯成材率和铸坯的质量有决定性的影响 38 2 浸入式水口的使用要求 保证正常拉速下时的钢水流通量 尽可能使结晶器内铸坯断面的热流分布均匀 有利于保护渣的迅速熔化 有利于夹杂物的上浮 不卷渣 避免结晶器内钢液液面的剧烈搅动 安装使用方便 39 3 浸入式水口的安装形式 40 使用整体浸入式水口时 不需要中间包水口 但是浸入式水口外形较长 一般在700mm以上 该水口有两种形式 内装型水口 即由中间包内向外安装 水口为整体结构 密封性好 外装型水口 安装方式由中间包底向内安装 组合型水口 由中间包水口和浸入式水口组成 该种浸入式水口较短 一般不足400mm 滑动水口型浸入式水口 这种浸入式水口相当于滑动水口的下水口 浸入式水口不是与中间包水口相连接 而是与滑动水口的下水口或下滑板相连接 密封方法与组合型浸入式水口相一致 41 42 4 浸入式水口的材质与发展 连铸初期 采用熔融石英质浸入式水口 特点 热震稳定性好 有较高的机械强度和耐酸性渣侵蚀 化学稳定性好 可以满足浇注普通碳素钢 低锰钢 Mn 0 8 等 目前广泛使用的是铝碳质浸入式水口 特点 铝碳质水口抗侵蚀 耐热震 解决了高锰钢 合金钢的多炉连浇问题 43 为解决浸入式水口渣线部位被严重侵蚀 以及防止氧化铝附着造成水口堵塞 在铝碳质浸入式水口的基础上开发了一系列的新型浸入式水口 铝碳 锆碳复合水口 镁碳 铝碳 锆碳复合水口 44 4 浸入式水口的损毁因素 1 侵蚀 2 堵塞 浸入式水口使用后的附着物和侵蚀情况 45 1 防止侵蚀的措施 在浇注过程中采用中间包上下浮动 改变保护渣与水口的接触部位 这是生产中普遍使用的办法 适当加厚渣线部位的尺寸 严格控制立方晶体ZrO2的比例达到80 提高鳞片状石墨的纯度 喷涂耐侵蚀材料和ZrB2等材质做保护圈 46 2 防止浸入式水口堵塞的措施 47 48 原料 白刚玉 板状刚玉 锆莫来石 石墨 氧化锆 防氧化剂 树脂等生产工艺过程 5 连铸 三大件 的生产 49 6 2 4密封材料 连铸过程中的接缝部位包括钢包下水口与长水口 整体塞棒与上水口 上水口与上滑板 下滑板与下水口 下水口与浸入式水口之间的结合部位 50 连接处密封的方法有 在连接处使用浸有低熔点化合物纤维密封圈 在接缝处吹入氩气形成正压区 阻止空气吸入 在接缝处垫密封圈 并与吹入氩气同时使用 保护效果更好 密封材料 Al2O3 C质 MgO C质 ZrO2 C质和石墨密封环等 51 6 3滑动水口系统用功能耐火材料 6 3 1钢包滑动水口系统用耐火材料 座砖 上水口 钢壳 上滑板 下滑板 下水口 引流砂 钢包滑动水口示意图 52 钢包滑动水口示意图 53 54 钢包滑动水口 滑动水口的结构 机械装置部分 驱动部分 手动或液压两种 运动方式有两种 直线式和回转式 滑板必须具备以下性能 1 滑动面要平滑 平整度 0 05mm 2 机械强度高 3 耐钢水和熔渣的侵蚀能力要强 4 不易黏附钢水 55 1 各类滑板砖 高铝质滑板砖 成型后均用沥青浸滞 再轻烧处理 获得较高的强度和致密均匀的结构 配料中添加了磷酸盐以降低烧成温度 可使滑板的尺寸保持稳定 并减少废品率和研磨量 锆质滑板砖 耐化学侵蚀性好 抗机械冲刷性能好 但是氧化锆价格昂贵 通常将其做成镶嵌环或镶嵌件 56 铝碳质滑板 烧结氧化铝和合成莫来石为主要原料 在基质部分添加碳组份和防氧化剂 如金属铝 金属硅 SiC B4C Mg B等 加入结合剂煤沥青或酚醛树脂混练成型 在还原气氛下烧成 形成碳结合的耐火材料 这种材质的滑板因其组织致密 气孔微细且含有一定数量的残碳 钢液和渣液难以浸渍 故耐侵蚀性良好 缺点是由于组织致密 耐热冲击性则有所下降 其次 在使用过程中 由于碳易被氧化 导致结构疏松 降低了耐侵蚀性 57 铝碳锆质滑板是在烧成铝碳质滑板的基础上研制开发的 这种材质滑板采用了低膨胀率的Al2O3 SiO2 ZrO2系原料 制成以斜锆石 莫来石 刚玉等为主晶相 以碳结合为特征的耐火材料 首先引入锆莫来石做骨料 利用锆莫来石中的氧化锆在约1000 时发生晶型转变 伴有体积收缩的特点 晶粒内产生显微裂纹 大大改善了材料的耐热冲击性能 其次ZrO2具有优良的抗侵蚀性 其耐侵蚀性较铝碳质滑板明显提高 成为现今大型钢铁企业滑板使用中的主流 方镁石 尖晶石 碳不烧滑板 以电熔尖晶石 电熔镁砂为主要原料 热塑性树脂为结合剂 并添加适量的金属加入物 经混碾成型后 制得直接油浸滑板砖 具有抗侵蚀 耐热震 化学稳定性好等性能 58 2 滑板的生产方法 铝 锆 碳质用原料 刚玉 锆刚玉 锆莫来石 石墨 氧化锆 树脂 Al粉 Mg Al合金等 59 滑板的侵蚀 1 热机械蚀损主要是浇注过程中的热震作用在铸孔外部产生了超过滑板强度的张应力 导致形成以铸孔为中心的辐射状的微裂纹 裂纹的出现有利于外来杂质的扩散 集聚和渗透 更加速了化学浸蚀 同时 化学浸蚀反应又促进裂纹的形成与扩展 如此循环 使滑板铸孔逐步扩大 损毁 而且高温钢水的冲刷会损伤靠近与钢摩擦部位的耐火材料 并造成剥落 掉块 60 Al2O3 C质滑板损毁的化学机理 2 热化学侵蚀热化学侵蚀是滑板损毁的另一主要原因 滑板用耐火材料在使用过程中接触高温钢水和炉渣 发生一系列化学反应 造成化学浸蚀 1 碳和石墨的氧化 2 莫来石的分解 3 SiO2与钢和熔渣中的FeO MnO反应形成低熔点矿物相2FeO SiO2 1205 MnO SiO2 1291 4 Al2O3 SiO2与钢和熔渣中的CaO反应形成低熔点的2CaO Al2O3 SiO2 1327 和12CaO 7Al2O3 1392 61 2 水口砖 62 a 上水口 其位置直接镶嵌在钢包座砖中 要求材质耐高温 抗侵蚀 耐冲刷与钢包同步 因此使用寿命比滑板砖长 材质一般使用刚玉质或碱性浇注料 损坏的主要因素有 钢液 熔渣的化学侵蚀与冲刷 安装时的机械损伤 b 下水口主要用来控制钢液的流量和流速 要求高温下具有良好的耐冲刷性和体积稳定性 材质主要是高铝质 铝碳质和铝锆碳质 损坏的主要原因是 钢液 熔渣的侵蚀和冲刷 温度激变引起的开裂或断裂 烧氧开浇造成的熔损 为了提高下水口的抗热震稳定性 将下水口安装在铁套内防止开裂 使用时尽量避免烧氧开浇 63 3 座砖 座砖安放在钢包或中间包等设备的底部 用于固定和保护其内部镶入的耐火材料 使用过程中受到钢水等的侵蚀和冲刷 热震损伤的影响 并在使用过程中与整个炉龄同步 所以质量要求较高 64 a Al2O3 ZrO2 Cr2O3质座砖 原高铝座砖抗热剥落性较差 在原氧化铝基质中加入适量的氧化铝 氧化锆电熔原料 及添加尖晶石 氧化铬等可以获得耐热剥落性好和耐侵蚀性强的Al2O3 ZrO2 Cr2O3质座砖 b 预制座砖 在原氧化铝基料中 添加1um以下的电熔刚玉微粉 氧化镁制备成预制型座砖 65 滑动水口自动开浇 滑动水口在开浇时 其铸孔能否自动流出钢水 自动开浇 成为能否顺利浇注和安全浇注至关重要的问题 滑动水口开浇的方式有 填料法 吹气法和烧氧法 填料 引流砂 法 在出钢前 当钢包停止烘烤 关闭滑动水口后 用一长形漏斗向上水口内放入填料 防止钢水进入上水口内而凝结 当滑板开启时 填料下落后钢水随之而下 达到自动开浇的目的 常用的引流砂材质主要有 铬质 碳化硅 石英质 石英砂 河砂 海砂 66 吹氩气洗法 该法是通过上水口或下滑板上的透气塞或3层式的中间包滑板向钢包内吹入氩气 产生钢水环流 从而达到自动开浇的目的 67 烧氧法 由于钢包底部至下滑板这段铸孔较深 300mm 直径又小 因此钢液进入上水口与下滑板接触后很快冷凝结膜 造成开浇时钢液不能自流 在急需时使用此法 用氧气管子将铸口烧开达到开浇的目的 但是它对耐火材料的损毁严重 且在浇注时易使钢水发散 加深钢水的二次氧化 影响钢水的质量 68 6 3 2中间包滑动水口系统用耐火材料 钢包采用2层式滑动水口 中间包采用3层式滑动水口 其组成为上水口 上滑板 固定 中间滑板 滑动 下滑板 固定 下水口 与下滑板相连 但不运动 Wellblock座砖 TundishNozzle中包水口 SlidePlates upper middle lower 滑板 上 中 下 NozzleTop上水口 SubmergedEntryNozzle SEN SubmergedEntryShroud SES 浸入式水口 StarterTube开浇管 69 3层滑板的特点是中间的滑动板不用火泥 而用金属带嵌板固定 对控制裂纹起