连铸用耐火材料

连铸用耐火材料1。概论连续铸钢是20世纪60年代发展起来的一种新型铸钢技术，它省掉了初轧工序，从钢水直接铸成钢坯，提高了金属收得率，降低生产成本，节约能源，铸坯质量好，机械化和自动化程度高。连铸技术得到推广的一个重要标志是滑动水口的开发和应用，滑动水口的采用使连铸操作实现自动化。我国自80年代开始推广应用滑动水口，到2000年底，我国连铸钢产量已达到80％，有十余家钢厂已实现全连铸。连铸技术的迅速发展使其相关的耐火材料在品种和质量上都得到相应的发展和提高，连铸用耐火材料的发展又对连铸生产和连铸钢坯质量产生重大影响。特别是宝钢的建成投产对国内耐火材料的技术进步起到了巨大的推动作用，连铸用耐火材料无论从品种还是质量都取得了巨大的发展。连铸用耐火材料是连铸机组中的重要部位，除具有一般耐火材料的特性外，还要求有净化化钢水、改善钢的质量、稳定钢水的温度和成分、控制和调节钢水流量等功能，因而被称为功能耐火材料。连铸系统用耐火材料品种包括：（1）钢包耐火材料――钢包衬、永久衬、透气组件等；（2）中间包耐火材料――永久衬、涂料、绝热板、包盖等；（3）功能耐火材料――无氧化浇注用长水口、浸入式水口、整体塞棒、滑动水口；（4）钢水净化用陶瓷净化器、挡渣堰、碱性涂料和水平连铸用分离环、闸板等。连铸用耐火材料要反复经受钢水的热冲击和钢水的冲刷、钢渣的侵蚀，因此耐火材料应具有较高的强度、较好的热震稳定性、良好的抗侵蚀性以及一些特殊的功能如透气性、净化钢水功能、调节流量、保护浇注等优良性能。2。钢包用耐火材料随着炼钢技术的发展，钢包不仅是储运钢水的容器，还承担着钢水处理和精炼的功能。随着精炼的发展，钢水在钢包中停留时间延长，钢水温度增高，并伴有强烈的吹气搅拌、真空处理、电弧加热以及熔渣的侵蚀作用，对钢包用耐火材料提出了更高的要求:(1)高温下能形成半熔融状态的致密层，并减少粘渣；(2)使用过程中有一定的膨胀性，砖衬能形成一个整体，不开裂、不剥落；特别是包底不能因为收缩开裂造成脱落；(3)钢包为间歇式作业，经受冷却――高温的反复热循环作用，砖必须有良好的抗热震性和抗剥落性；(4)为保持钢水的洁净度，要求钢包有良好的抗侵蚀性，高温下耐火材料尽量少熔入钢水；（5）从经济角度出发，要求钢包衬有良好的施工性能且价格适当。包衬用耐火材料已从定形制品向不定形材料发展。2.1包衬用材料2.1.1永久衬用耐火材料钢包一般采用三层砌筑结构即隔热层、永久层和工作层。绝热层一般采用轻质粘土砖、硅酸铝纤维毡或轻质浇注料砌筑。而永久层目前普遍采整体打结的方式，材质有水玻璃结合的铝镁浇注料、低水泥或超低水泥高铝浇注料。永久衬的施工是在隔热层砌筑完后，在其表面粘一层牛皮纸以防吸浆，然后放上胎模浇注永久层，永久层施工一般采用振动成型，为改善施工条件、减轻劳动强度，我厂开发了钢包永久衬用自流浇注料，取得了较好的使用效果。2.1.2包壁用耐火材料我国在80年代钢包普遍采用高铝砖和叶蜡石砖，随着连铸的发展，钢水在钢包内停留的时间延长，砖衬出现熔损、剥落，寿命降低。为提高包衬寿命，减少渣的侵蚀，开发了在Al2O3-SiO2系材料中引入MgO的Al2O3-SiO2-MgO系材料，利用MgO与Al2O3高温下生成镁铝尖晶石，且产生一定的膨胀作用，具有极好抗侵蚀和抗渣渗透性。同时MA尖晶石可与渣中的FeO反应形成铁铝尖晶FeO+MgO•Al2O3≒MgO+FeAl2O4;过量的FeO与MgO形成固溶体，提高了渣的粘度，减少了渣的侵蚀与渗透。2.1.2.1水玻璃结合不烧砖水玻璃结合铝镁砖骨料采用一级矾土,细粉用特级矾土粉和一级镁砂粉,采用水玻璃作结合剂,机压成型后经低温热处理即为成品.该产品在模铸的大、中型钢包上使用，取得了较好的使用效果。为提高铝镁砖的抗侵蚀性，在不烧铝镁砖的基础上添加石墨制成的不玻璃结合铝镁碳砖，在中小型模铸钢包上使用，寿命达到50～100次，因其价格低廉，在中小钢厂得到推广。2.1.2.2树脂结合铝镁碳砖和镁铝碳砖树脂结合铝镁碳砖原料采用特级矾土熟料、高铝刚玉和镁铝尖晶石等作骨料，添加镁砂细粉、磷片石墨、碳化硅及氧化铝粉，用树脂作结合剂经高压成型，低温热处理。该产品具有强度高、抗侵蚀性好、抗剥落性好、抗热震性和不粘渣等优点。在大型连铸钢包上使用，寿命达到50～100次；特别是在LF－VD精炼炉上得到应用。树脂结合镁铝碳砖与铝镁碳砖生产工艺基本相同，主要原料是在镁砂中添加预合成的镁铝尖晶石，利用两者在高温下线膨胀系数差别较大的特性，来缓冲因温度变化产生的热应力，减轻热剥落；添加炭素材料，高温下形成碳网结构，有效地阻止熔渣的侵蚀和渗透。镁铝碳砖有较好的抗侵蚀性，适用高碱度渣及LF精炼包等更苛刻的条件。目前国内大中型钢包包壁普遍采用树脂结合的铝镁碳砖和镁铝碳砖，已经满足了钢厂的需要。LF(电弧加热钢包精炼)法及LFV（真空电弧加热钢包精炼）法钢水温度更高、熔渣碱度大、加之吹气搅拌以及真空或还原气氛，耐火材料要承受化学反应与熔损、高温真空下的挥发、熔渣的侵蚀以及热冲击和机械冲刷，要求耐火材料的强度要高、热震稳定性好、抗渣侵蚀性好。精炼炉包壁采用铝镁碳砖或镁铝碳砖，使用寿命普遍达到50炉以上；在真空冶炼的情况下，使用镁钙碳砖的效果要优于铝镁碳砖。ASEA－SKF（电弧加热电磁搅拌精炼）法冶炼，耐火材料要经受电极电弧的强烈辐射、高碱度高温熔渣的强烈侵蚀与溶解、高温真空下的还原、电磁搅拌和包底吹氩所造成强烈冲刷和磨损以及内衬温度的急剧变化。我国在SKF炉内衬高侵蚀区采用电熔再结合镁砖及镁铬砖，低侵蚀区采用高铝砖，平均寿命达到30炉左右。欧洲普遍采用镁白云石砖，寿命在20～30炉。表1优质钢包衬砖铝镁尖晶石碳砖铝镁碳砖镁铝碳砖镁碳砖PN-SPC1PN-SPC2PN-AMCPN-MACPN-MT10PN-MT14Al2O3%≥60706515MgO%≥151010707874C%≥77781014显气孔率％≤1010111054体积密度g/cm3≥2.722.822.752.82.852.82耐压强度MPa≥808560555040重烧线变化％(1550×3h)≥0~+1.0+0.5~+2.0+0~+1.0+0.5~+2.5高温抗折强度MPa≥(1400℃×0.5h,埋炭)66.567682.1.2.3包衬用浇注料80年代,国内中小钢包采用水玻璃结合的铝镁浇注料,以一级高铝矾土作骨料,添加镁砂细粉,用不玻璃作结合剂,外加氟硅酸钠作促凝剂,在中小钢厂模铸钢包上使用平均寿命达到60～80次，基本满足了模铸生产的需要。但随着连铸的发展，浇钢时间延长，浇钢温度提高，水玻璃结合的铝镁浇注料其抗侵蚀性、抗剥落性已不能满足生产的需要。在90年代，又开发了低水泥、超低水泥结合的尖晶石质浇注料，其品种有适应中小钢厂使用的矾土尖晶石浇注料、适应大型钢包和精炼需要的刚玉尖晶石浇注料。矾土尖晶石浇注料是以特级矾土为骨料，添加预合成的尖晶石，利用尖晶石抗侵蚀性好和热震稳定性好的特点，同时适量添加镁砂在更高的温度下与矾土颗粒继续反应生成尖晶石，伴随着持续性的膨胀有利于保持高温下的体积稳定性；采用SiO2超微粉和MgO与水形成凝聚结合以及合适的减少剂，实现低水分下有较好的流动性和较高的强度，具有较好的抗侵蚀性和抗剥落性。矾土基尖晶石浇注料在国内中小型连铸钢包上使用寿命达到100炉以上。随着大型钢包连铸及精炼的发展,普通的铝镁浇注料已不能满足使用寿命的要求,在此基础上又开发了刚玉尖晶石浇注料,降低水泥用量,合理控制MgO含量,调整尖晶石含量；具有更好的抗侵蚀、抗渗透以及抗剥落性，在宝钢、首钢、武钢等钢厂大型连铸钢包上使用寿命均超过150次，且使用过程中没有大的裂纹和剥落现象。表2钢包浇注料理化指标项目铝镁浇注料矾土尖晶石浇注料刚玉尖晶石浇注料Al2O3%≥687288MgO%≥12107SiO2%≥1081.5体积密度g/cm3≥2.652.853.05耐压强度110℃×24hMpa1100℃×3h1550℃×3h2360706570808060110抗折强度110℃×24hMPa1100℃×3h1550℃×3h697.058118812线变化率％1550℃×3h+0.30+0.8～+2.0+0.5--+0.82.2渣线用耐火材料钢包渣线区处于高碱度炉渣侵蚀、剧烈的温度变化、钢水的机械冲刷、以及长时间精炼条件下真空挥发、电磁搅拌、电弧辐射等苛刻条件，损毁十分严重，因此自九十年代以来抗侵蚀性好、热震稳定性优良的优质镁碳砖就成为钢包渣线部位的首选材料。在抗侵蚀方面，选用大结晶镁砂，同时添加较高的抗浸润性好的石墨，采用高压成型，为防止石墨的氧化，添加金属铝、金属硅、铝镁合金、碳化硼、硼化锆等材料，其作用主要是在较低的温度下比碳先氧化，同时生成致密的保护层避免碳的进一步氧化，从而提高了镁碳砖的抗侵蚀性。目前国内钢包渣线部位普遍采用MT14A、MT14B镁碳砖砌筑，使用寿命一般在60～70次左右，精炼包渣线寿命在30次左右，个别钢厂已实现渣线与包壁同步。表3镁碳砖的理化指标项目指标MT-10AMT-10BMT-10CMT-14AMT-14BMT-14CMT-18AMT-18bMT-18CMgO%≥807876767474727070C%≥101010141414181818显气孔率，％≤456456345体积密度g/cm3≥2.902.852.802.902.822.772.902.822.77常温耐压强度MPa≥403530403525403525高温抗折强度(1400℃×30min)MPa≥65412851074抗氧化性提供实测资料2.3包底用耐火材料钢包包底不仅要承受钢水的静压力,还要承受来自钢水的巨大冲击,由于反复热特循环产生裂纹,炉渣渗透造成结构剥落,以及冲击与包底砖之间接缝处的侵蚀,以致钢水侵入接缝,损毁更为严重；以及来自浇钢过程中钢流的冲刷和吹氩形成的涡流，对包底材料均产生不利的影响。目前国内包底是采用不烧铝镁碳砖或尖晶石浇注料，铝镁碳砖采取立砌，以增加包底厚度同时可减少包底砖脱落，冲击区砖厚度加大或使用预制大砖以提高包底寿命。通常包底砖均不能与包壁同步，需中途更换一次或两次包底砖，个别厂家采取铝镁碳砖平砌立砌相结合的办法或砖砌与浇注料相结合的办法来延长包底寿命，有些厂家已实现包底与包壁同步。3.包底透气砖炉外精炼其主要功能是脱气、脱氧、脱碳、合金化、去除夹杂物、以及均匀钢水温度和化学成分等。其主要方法为搅拌技术，最常用为吹氩搅拌。吹氩方法有上吹法和底吹法。上吹法使用吹氩喷枪，其材料一般为低水泥刚玉－碳化硅质浇注料，上吹法安全系数高，但喷枪寿命短，耐火材料消耗高，且吹氩效果不如底吹好，随着连铸技术的发展，上吹法已很少使用。底吹法是在钢包底部安装透气砖，通过透气砖向钢包内吹入氩气，来达到钢水搅拌的目的，促进了精炼中化学反应的完全，降低了钢水中的有害成分，降低了钢坯中气体、非金属夹杂，均匀了钢水成分，缩短了冶炼时间，提高了经济效益。因透气砖使用条件苛刻，透气砖应具备良好的透气性、优良的抗侵蚀性、足够的强度、抗钢水渗透性好、具有良好的抗热冲击性在反复吹氩时不开裂不剥落、安装简单、安全可靠。透气砖的结构类型有：弥散型、直通孔式、直通狭缝式、镶嵌式、迷宫式、组合式。透气砖损毁的主要因素有：气体、熔体对透气砖的高速冲刷造成熔蚀或生成低熔物造成的局部堵塞；透气砖在热压下变质，使透气减小不能通气而停用；高温熔体通过孔隙渗入砖体或套砖与砖本体之间造成严重蚀损；因热震造成的损坏剥落。透气砖主要材质有：刚玉质、铬刚玉质、高铝质和镁质等。提高透气砖寿命的主要措施：选择高抗冲刷、耐热震的材料；改进透气砖结构；透气砖合理安装；快速更换系统；增设安全报警装置；主气体管路的维修。4．滑动水口早期的钢包铸钢控制是靠塞棒来实现的，但塞棒存在使用寿命低，安全性差，消耗大等诸多问题，现在已被滑动水口所取代。滑动水口位于钢包的外部，起钢水流量的控制调节作用，它不受钢水搅拌、熔剂喷入和钢水停留时间的影响，且操作方便，采用滑动水口易实现浇注操作自动化，消