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1、 顾华志 武汉科技大学 连铸耐火材料研究进展与工业应用连铸耐火材料研究进展与工业应用 汇报提纲汇报提纲 概述 连铸耐火材料损毁 塞棒耐火材料 滑板耐火材料 气幕挡墙耐火材料 结语 洁净钢：钢中夹杂物和杂质元素的数量、分布和大小“降低”到对产 品加工性能、使用性能无不良影响的钢。 p 生产苛刻条件下高附加值钢铁产品的基础。 p 钢铁企业核心竞争力的重要组成部分，国家钢铁制造水平的重要 标志。 p 高效率、低成本洁净钢生产技术为优先发展主题和重点。 国家中长期科学和技术发展规划纲要 国家钢铁产业发展政策 一 概述 p既是钢水冶炼过程的炉衬材料，又参 与冶金过程，也是钢中有害元素和非 金属夹杂物的主
2、要来源之一。 p 耐火材料是钢铁工业发展的支撑。 解决连铸耐火材料对钢水污染成为洁净钢生产关键技术之一 如果没有合适的耐火材料，精炼 后的钢水，在成材前又可能在钢包， 特别是中间包中被重新二次污染。 一 概述 n中间包结构设计 n 中间包的形状、几何尺寸对中间包 内流场及钢液的停留时间有显著的影 响。 一 概述 中间包加热技术 等离子体加热 电感应加热 电渣加热 陶瓷电阻加热 一 概述 一 概述 n 氧化物的自由能及氧分压 耐火材料碱性化 一 概述 不同耐火材料对钢中硫含量的影响 n1-石灰砖；2-刚玉 砖；3-镁铝尖晶石砖 ；4-镁砖；5-镁碳砖 ；6-镁钙砖；7-油浸 高铝砖； 8-高铝砖
3、； 9-镁铬砖； 10-锆英 石砖 一 概述 中间包挡墙 高铝质（莫来石质）低水泥中间挡墙已很少使用 镁质挡墙很快转变成镁铝质、铝镁铬质 新品种为硅微粉结合MgO熔融石英质挡墙，熔融石 英能显著改善镁质的抗热震性，提高韧性和抗冲刷 能力，在某些钢厂配合中间包干式料使用，寿命达 到40小时。 一 概述 中间包干式料 目前大型中间包大量使用镁质涂抹料、喷涂料。小 型中间包也大量推广使用树脂结合干式料，使中间 包寿命大幅度提高，但存在污染环境问题，大企业 难以接受。 新品种：无机盐结合的镁质干式料 优点：不含碳或含碳量很低，无污染。 缺点：寿命不长，60T板坯中间包68炉 （通钢量约2000T） 一
4、 概述 二 连铸耐火材料损毁 耐火材料的总侵蚀率： Wt = Wsys = Wc + Wf+ Wth 式中，Wt （或Wsys）为耐火材料总侵蚀率；Wc为由于化学反应引起的 耐火材料侵蚀率；Wf为由于流体力学作用引起的耐火材料侵蚀率；Wth为 由于结构应力或热应力作用引起的耐火材料的侵蚀率。 使用条件：多相流动 化学反应 热应力破坏 协同作用 二 连铸耐火材料损毁 Wff = f ( , I ) = ( x , y ) I( x , y ) 带有夹杂物的钢液冲向耐火材料表面时，造成短程切削与 塑性变形的坑，在反复塑性变形的情况下形成磨损。 高速流动的钢液与耐火材料壁面之间由于相对运动而产生 剪
5、切应力，不断地撕裂、剥落表面耐火材料。 湍流加剧了局部钢液的搅动，促进冲蚀过程。 因此，钢液对耐火材料的冲蚀需考虑剪切应力与湍流强度两方 面主要因素。 式中，Wff为钢液对耐火材料的冲蚀率；为壁面剪切力，Pa； I为湍流强度；x、y、z分别为位置坐标，m。 中间包内的耐火材料在高温下的冲蚀可看作塑性冲蚀。 二 连铸耐火材料损毁 以二流板坯中间包为例，系统研究了不同控流装置的配置 对中间包耐火材料冲蚀强度的影响。 中间包中心截面钢液流场 （a） 挡渣堰距离入口750mm （b） 挡渣堰距离入口1200mm （c） 挡渣堰距离入口1500mm 钢液对耐火材料的冲蚀强度 钢液对耐火材料的冲蚀率 二
6、连铸耐火材料损毁 渣蚀过程受熔渣/耐火材料化学组 成、温度、流动及材料显微结构 等多因素影响。 耐火材料与熔渣的相对运动会 加速熔渣与耐火材料间的传质 过程。动态抗渣实验表明：转 速与渗透侵蚀界面层的厚度成 正比： d=0.053r-0.04 二 连铸耐火材料损毁 二 连铸耐火材料损毁 转速 (r) 中心温度 (K) 边缘温度 (K) 中心应力 (MPa) 边界应力 (GPa) 101484.661785.4113.419.0 201459.711782.6314.819.4 301435.251779.929.6719.8 401410.381777.1530.521.5 不同转速条件下试样
7、温度与热应力分布 熔渣相对运动同时也导致耐火材料与 熔渣界面处热应力递增，因而导致界 面产生裂纹而加速熔渣的渗透和侵蚀 。 F=19.79-0.11r+0.004r2 二 连铸耐火材料损毁 透气砖 弥散式 直通孔式 直通狭缝式 组合式 二 连铸耐火材料损毁 不同吹气量对透气耐火材料温度场的影响 吹气量为7L/min吹气量为10L/min 二 连铸耐火材料损毁 吹气量为13L/min 吹气量为15L/min 二 连铸耐火材料损毁 不同吹气量对透气耐火材料温度场的影响 透气砖应力场 (a) 36m3/h (b) 45m3/h (c) 54m3/h 不同的吹气量条件下透气砖热应力分布（MPa） 二
8、连铸耐火材料损毁 (a) 0.16mm (b) 0.20mm (c) 0.25mm 不同缝宽透气砖在烧氧过程中的轴向热应力分布 (MPa) 二 连铸耐火材料损毁 要求性能 抗热震性好 高温强度大 耐侵蚀性强 二 连铸耐火材料损毁 三 塞棒耐火材料 塞棒： 二战前唯一钢流控制方式 材质 粘土质，叶腊石 二战后，平炉大型化，钢包大型化 脱碳技术和连铸技术引进，钢水滞留时间延长。 设计思路： Hard Head, Soft Nozzle Soft Head, Hard Nozzle 三 塞棒耐火材料 洋葱 鳞片石墨 1、塞头：层状材料 塞棒本体：铝碳质、熔融石英 棒头：Al2O3-C质、MgO-C质
9、、ZrO2-C质、MgAl2O4-C质。 塞棒棒头和渣线部位材质的组成和性能 项目本体棒头和渣线 化学组成 C31.215.613.314.8 B2O31.6-2.00.6 ZrO20.9-4.673.5 CaO-3.1 Al2O352.01.182.50.7 MgO-71.3-1.0 SiO215.715.50.84.6 体积密度g/cm32.352.532.873.61 显气孔率17.916.816.315.6 常温抗折强度MPa7.44.99.48.1 浇注钢钟普通钢钙处理钢高氧钢高锰钢 三 塞棒耐火材料 高热导率 低膨胀系数 高电阻 低介电常数 高熔点 与钢水不润湿 AlN基本性能 三
10、 塞棒耐火材料 含AlN整体塞棒棒头与浸入式水口碗部用材料性能 材质化学组成体积 密度 g/cm3 显气 孔率 耐压 强度 MPa 抗折 强度 MPa Al2O3MgOSiO2AlN C+ SiC MgO- C 468-282.4217.0328.0 AlN- Al2O3- C 55-30152.5719.55414.5 三 塞棒耐火材料 具有缓解热应力功能的组分梯度层 热膨胀系数梯度 功能梯度材料 温度梯度 高温区 低温区 2、塞头：梯度材料 1984年，日本科学家平井敏雄首先提出。 三 塞棒耐火材料 通过连续地改变两种材 料的组成和结构，使其 内部界面消失，从而得 到功能相应于组成和结 构
11、的变化而渐变的非均 质材料，以减小和克服 结合部位的性能不匹配 因素。 梯度塞棒耐火材料 设想： 镁碳质棒头与铝碳质塞棒本体 热膨胀系数不匹配 镁碳质材料抗侵蚀，但不耐冲刷 采用“过渡层”制成“梯度”塞棒耐火材料，消除热应力 ，以提高两者之间结合强度和抗钢水冲刷能力。 三 塞棒耐火材料 实例 三 塞棒耐火材料 三 塞棒耐火材料 各部分化学分析 CAl2O3SiO2MgO 棒头8.97.280.3077.01 棒头后部17.21.451.8577.85 棒身过渡带22.963.375.051.21 棒身31.251.713.08- 各部分物理性能 显气孔率 体积密度 g/cm3 耐压强度 MPa
12、 抗折强度 MPa 抗折强度 MPa 140015min 棒头92.81- 棒头后部162.6029- 棒身17.52.3623.576.376.23 三 塞棒耐火材料 在钢包、中间包底部的滑动水口系统中，用来控制钢水流 出和流量大小的功能性耐火材料。 承受温度骤然升降，温差较大而引起裂纹扩展； 控制钢水流量时滑板来回滑动，使滑动面磨损，造成开合困难； 钢水对铸孔的冲刷，造成扩孔； 为提高抗侵蚀性和抗热震性，在滑板中添加了碳素原料，从而又引 起抗氧化性差和强度下降的问题。 四 滑板耐火材料 滑板 控制铝锆碳滑板材料的微气孔结构，优化材料的性能， 试想在现行滑板的基础上进一步提高滑板的使用寿命。
13、 采用不同碳素原料 硅粉粒度及添加量 Al2O3微粉 烧成温度 基本思路： 四 滑板耐火材料 在1000t的摩擦压砖机上压制标准砖，烧成以后，把试验样砖切成 断面呈梯形、厚约25mm、高110mm条形试样，组装成坩埚。侵蚀 剂为钢包渣，钢渣的化学分析结果见表。在坩埚底部放入钢块， 加热熔化后加入钢渣，在15801620温度范围内保温3h，每 隔1.5h换一次渣，保持渣线位置不变，待冷却后取出试样，沿渣线 方向切开，通过检测蚀损深度来判定抗渣性。 成分TFeSiO2Al2O3CaOMgOF 含量%28.3310.3812.9832.0810.010.49 渣的化学成分分析 采用电磁感应炉抗渣法
14、四 滑板耐火材料 抗氧化磨耗性 将试样置于电炉中，在11002h条件下氧化（升温曲线为：1h， 200；2h，200500；3h，5001100），随炉冷却以后的试样 在常温耐磨试验机（型号CWNMJ-9901A）上进行耐磨试验。试验条 件：将1kg碳化硅粉（粒度0.30.5mm）喷吹到被氧化试样的表面， 喷吹时间为450秒，工作压力为448kPa。通过测定体积损失来表征抗 氧化磨耗性好坏。体积损失计算公式为： 四 滑板耐火材料 炭素原料对滑板材料显微结构及性能的影响 材料中生成大量质量较好的SiC晶须，能够使材料形成更好的陶瓷结 合，可以有效地提高材料的强度，改善材料的显微结构。 选用炭黑A
15、和炭黑B两种超细炭素以及鳞片石墨三种原料，考察这三 种炭素原料的添加对材料结构与性能的影响。制得的烘干试样在隧 道窑中埋炭烧成（14808h）。 四 滑板耐火材料 试样的物理性能及微孔率 编 号 配料 特点 显气 孔率 % 体积 密度 g/cm3 常温耐 压强度 MPa 高温抗 折强度 MPa d1m 微孔率 % T1 鳞片 石墨 11.53.1448.49.9 56.1 T2炭黑A7.13.1673.813.7570.2 T3炭黑B10.33.0867.311.2571.4 图2 试样T1,T2,T3的孔径的累积分布曲线 可以发现，所有试样基本上没有 直径d100m的孔，但试样T2 、T3中直径d1m的气孔体积 比率明显比T1增加。其中试样T1 、T2和T3中孔洞直径d1m的孔 体积总量占总孔体积的比率分别 为56.1%、70.2%和71.4%。 四 滑板耐火材料 a）石墨（T1) b) 炭黑A (T2) c)炭黑B(T3) 图10 添加不同炭素原料的铝锆碳滑板试样的断口SEM照片 四 滑板耐火材料 硅粉添加量及粒度对材料显微结构及性能的影响 图4 试样强度随硅粉添加量的变化 图5 试样抗氧化性随硅粉添加量的变化 （J1J2 J3 J4 ） 四 滑板耐火材料 图6 试样抗氧化磨耗性与硅粉添加量的关系 图7 侵蚀后试样的外貌 J2:2
