耐火材料在高效連鑄中的選擇和運用

童星

（南京鋼鐵股份有限公司，南京，210035）

【摘要】：本文分析了不同耐火材料在大包內襯、滑板、中間包內襯、連鑄“三大件”中的運用及其性能要求，提供了高效連鑄中耐火材料的選擇方式，以此滿足現(xiàn)代高效連鑄、無缺陷鑄坯生產(chǎn)的實際需要，為我國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展提供了參考意見。

【關鍵詞】：耐火材料；高效連鑄；大包內襯；中間包內襯

引言

高效連鑄技術雖隨著我國科學技術的發(fā)展而不斷改進，為了降低噸鋼坯生產(chǎn)成本、提升連鑄作業(yè)率，要求選用性能良好的連鑄用耐火材料�，F(xiàn)代連鑄技術的發(fā)展要求體現(xiàn)出高自動化水平、高效益、高質量、高可靠性、高產(chǎn)量等多個層面，在生產(chǎn)過程中能夠提升金屬收得率。

1.耐火材料在大包內襯中的運用

1.1大包內襯的工作環(huán)境

鋼包喂絲、吹氬攪拌、電弧加熱等是鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中采用的重要鋼包精煉技術。大包長時間承載鋼水或運載鋼水，其內襯材料的選擇要求能夠適應鋼渣侵蝕、鋼液沖刷、長時間高溫的工作環(huán)境^[1]。

大包內襯材料選擇過程中要求能夠適應小于包殼材質蠕變溫度350-400℃的工作環(huán)境。在綜合運用多種耐材時，要求考慮不同耐材的固有性質，加強不同耐材之間的搭配研究。例如可以將堿性磚、鋯英石磚搭配使用，這是由于鋯英石在1450-2430 ℃的溫度條件下容易分解，將SiO2含量較高的磚種與鎂碳磚混合使用能夠促進鎂碳磚的局部熔損，使用中具有較大的導熱率，因此永久層選擇時可以采用具有良好保溫性能地隔熱材料。

為了提升鋼液的內襯壽命與清潔度，作業(yè)過程中要求采用能夠滿足相應作業(yè)條件的耐材品種，以符合冶煉工藝的生產(chǎn)需求。例如不宜選用含碳質耐材進行IF鋼的冶煉，不宜選用石墨耐材與高鋁磚進行沸騰鋼與高錳鋼的冶煉^[2]。

1.2耐火材料在大包內襯中的運用

鋁鎂尖晶石碳磚、蠟石磚、鎂碳磚、鎂鈣磚、蠟石磚、鋯質磚、鋁鎂碳磚、低碳鎂碳磚是生產(chǎn)過程中采用的主要大包內襯用耐火材料。具有良好的耐材單耗情，熱震性、抗折強度、抗渣蝕性均較好。在目前的生產(chǎn)過程中運用較為廣泛，可將低碳鎂碳磚運用到渣線部位之中，以此提升其抗粘渣性能、耐蝕性能，對提升經(jīng)濟包齡具有顯著效果。一般采用鋁鎂質、高鋁質、白云石質作為澆注料^[3]。鎂碳磚具有較強的抗折強度與抗剝落性能，能夠顯著改善包口與包壁的粘渣現(xiàn)象，可提升大包包襯使用壽命超過250次。

2.耐火材料在滑板中的運用

2.1滑板的位置與作用

在大包與中間包中均會使用滑板，能夠調節(jié)流量，具有鋼水注入功能，屬于重要核心部件。滑板磚澆筑過程中承受著機械沖刷、化學侵蝕、溫度急變等多種環(huán)境的影響，在運行過程中經(jīng)受著幾百噸高溫鋼水造成的磨損,對滑板的材料選用具有較高的要求。見下圖1與圖2。

由于多種外力因素可能出現(xiàn)滑板損毀現(xiàn)象。首先是化學侵蝕的出現(xiàn)，鈣處理鋼水過程中在高溫鋼水的沖刷作用下容易出現(xiàn)熔損現(xiàn)象，這主要是由于Ca在游離狀態(tài)下會侵蝕滑板，產(chǎn)生Al₂O₃-CaO-SiO₂、Al₂O₃-CaO等低熔點化合物。

熱機械沖擊作用下會產(chǎn)生高于滑板強度的張應力，會以鑄孔為中心形成輻射狀微裂紋，微裂紋反過來會促進化學侵蝕，導致出現(xiàn)滑板損毀現(xiàn)象。高溫鋼水在不斷的沖刷作用下會逐漸磨損耐火材料，導致滑板出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。因此要求滑板材料選擇中具有良好的耐磨特性與抗折強度^[4]。

2.2滑板材料的選擇

鎂碳質、鋁碳鋯質、鋁碳質、尖晶石碳質耐火材料、氧化鋯質是目前滑板中運用到的主要材料。其性能見下表1。

表1不同材質滑板的理化性能

從表中能夠看出，鋁碳質運用中具有較好的耐蝕性與耐磨性，滑板氣孔較少，但是在使用過程中容易出現(xiàn)熔損現(xiàn)象，在具有較高SiO₂含量情況下表現(xiàn)尤為明顯。能夠生成3CaO·Al₂O₃、12CaO·7Al₂O₃、2CaO·Al₂O₃·SiO₂等物質。

與鋁碳質滑板相比，鋁鋯碳質材料具有更為良好的耐蝕性、耐熱沖擊性能，目前很多鋼廠均采用了低硅鋁鋯碳質材料。

氧化鋯質材料使用中能夠提升滑板壽命，耐剝落性與耐蝕性能較為突出，能夠顯著提升提高連鑄效率，但是同時增加了其使用成本。鎂碳質材料的運用具有顯著的耐蝕性與熱震穩(wěn)定性，但是在運用中石墨易氧化，在運用中可以與樹脂結合使用，提升了材質的抗氧化性與耐剝落性^[5]。尖晶石碳質具有較小的熱膨脹系數(shù)，主晶相為其主要的構成形式，運用過程中具有較強的耐蝕性與抗熱沖擊能力，但是在鋼水處理過程中會不同程度地侵蝕尖晶石基料。

3.耐火材料在中間包內襯中的運用

3.1中間包內襯

鋼水精煉終端設備即中間包，是在結晶器與大包之間的緩沖器，中間包內襯材料的選用要求能夠適應化學侵蝕與大包高溫鋼水的機械沖擊。對材料選用提出了更高的要求，應當能夠滿足氣體軟攪拌技術、非金屬夾雜清除、鋼水加熱等技術的運用條件。要求選用的材料具有較好的低熱膨脹性、低熱導率、耐蝕性以及熱震性能，具有較長的使用壽命并能夠減少對鋼液的污染。

3.2中間包內襯耐材的選用

鎂質絕熱板具有較好的絕熱性能，是早期運用的主要材料，但是運用中容易出現(xiàn)鉆鋼變形現(xiàn)象，使用壽命較為有限。鎂鈣質涂料、鎂質涂料具有較好的整體使用性能與解體性，但是與目前多爐次連續(xù)鑄鋼的實際需求之間具有較大的缺口。鎂質以及鎂鈣質干式料是目前采用的主要材料，能夠達到涂料襯2-4倍的使用壽命，具有較好的耐蝕性，能夠滿足多爐連澆的作業(yè)需求。不同材料的工作性能見下表2。

目前中間包工作襯型采用最多的形式是干式料襯，在萊鋼、武鋼、安鋼中運用較為廣泛。中間包內襯目前的研發(fā)過程中正在積極研發(fā)新型結合劑，迎合目前環(huán)保的生產(chǎn)需要^[6]。

表2    不同中間包內襯的性能比較

4.耐火材料在連鑄“三大件”中的運用

4.1連鑄三大件

整體塞棒、大包和中間包的長水口、浸入式水口是鑄造作業(yè)中的“三大件”，能夠顯著提升澆注穩(wěn)定性，是澆筑作業(yè)中的關鍵性耐火材料，要求優(yōu)化其中耐火材料的選擇。目前“三大件”連鑄過程中常用的耐火材料見下表3。

表3　連鑄“ 三大件”的使用狀況對比

4.2連鑄“三大件”中耐火材料的選擇

結合澆注鋼種選擇耐材。可運用MgO-C質耐材進行Al₂O₃-C 質長水口的澆筑作業(yè)，避免澆注鈣處理鋼過程中出現(xiàn)熔損現(xiàn)象。浸入式水口與整體塞棒澆注過程中也可以采用此種操作方式。結合使用壽命選擇耐材，可選擇MgO-C質、ZrO₂-C質進行整體塞棒棒頭作業(yè)，提升使用壽命，可選擇ZrO₂-C質進行長水口在渣線位作業(yè)，提升其耐蝕性，獲得良好的整體使用壽命。耐材選擇時要求結合防堵性能與鋼水清潔度因素，可將無碳無硅尖晶石質耐材運用于浸入式水口作業(yè)中以此進行超低碳鋼與低碳的澆注作業(yè)，避免其中可能出現(xiàn)的Al₂O₃夾雜沉積堵塞現(xiàn)象。要求在綜合考慮以上因素的基礎上結合經(jīng)濟使用性選擇最佳的耐材。

5.結論

耐材選擇過程中要求能夠適應目前連鑄生產(chǎn)強度大、節(jié)奏快的需要，綜合考慮多種影響因素，從生產(chǎn)的總體性角度出發(fā)，結合噸鋼耐材單耗進行選擇。BOF-LF-(VD)RH-高效連鑄是目前很多鋼廠采用的重要工藝，要求選擇符合生產(chǎn)工藝的連鑄用耐材，要求耐火材料具有較好的使用性能與較長的使用壽命。目前理論界正在對此積極研究。并結合目前鋼廠生產(chǎn)的實際需要積極研發(fā)，隨著潔凈鋼生產(chǎn)趨勢的發(fā)展，目前正在研發(fā)無碳低硅型連鑄用耐火材料。要求其能夠綜合實現(xiàn)清潔環(huán)保與滿足耐材成型強度兩方面的需求。為了提升耐材的使用壽命與生產(chǎn)質量，正在積極研發(fā)新的生產(chǎn)工藝技術，同時積極加強不同材質之間配比的優(yōu)化研究，提升耐材的使用壽命，優(yōu)化其使用功能。

【參考文獻】：

[1]郭迎慶, 許麗君, 李雪晴, et al. 一種抗渣侵蝕型連鑄用耐火材料的制備方法:.

[2]肖紅[1], 姚海英[1], 葉楓[1],等. 中間罐感應加熱在特鋼連鑄上的應用及其關鍵技術[J]. 連鑄, 2017, 42(3):64-70.

[3]李連洲. 鋯石墨質耐火材料在澆鋼時的應用[J]. 耐火與石灰, 2019(3).

[4]侯小光. 基于計算機仿真技術的高效化連鑄機設備加工研究[J]. 自動化與儀器儀表, 2017(9):190-191.

[5]李勇, 閆明偉, 秦海霞,等. 非氧化物復合耐火材料的應用研究進展[J]. 硅酸鹽學報, 2017, 45(9):1231-1239.

[6]周嚴敦, 陳衛(wèi)敏, 吳興勝,等. 水泥工業(yè)用耐火材料新技術發(fā)展研究[J]. 河南科技, 2017(13):47-50.