連鑄耐火材料研究進展與工業(yè)應(yīng)用

連鑄耐火材料研究進展與工業(yè)(gōngyè)應(yīng)用

共六十八頁匯報提綱概述(ɡàishù)連鑄耐火材料(nàihuǒcáiliào)損毀塞棒耐火材料滑板耐火材料氣幕擋墻耐火材料結(jié)語共六十八頁潔凈鋼：鋼中夾雜物和雜質(zhì)元素的數(shù)量、分布和大小“降低”到對產(chǎn)品(chǎnpǐn)加工性能、使用性能無不良影響的鋼。

生產(chǎn)苛刻條件下高附加值鋼鐵產(chǎn)品的基礎(chǔ)。鋼鐵企業(yè)核心競爭力的重要組成部分，國家(guójiā)鋼鐵制造水平的重要

標(biāo)志。高效率、低成本潔凈鋼生產(chǎn)技術(shù)為優(yōu)先發(fā)展主題和重點?！秶抑虚L期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》

——《國家鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》一概述共六十八頁既是鋼水冶煉過程的爐襯材料，又參與冶金過程，也是鋼中有害元素和非金屬(jīnshǔ)夾雜物的主要來源之一。耐火材料(nàihuǒcáiliào)是鋼鐵工業(yè)發(fā)展的支撐。解決連鑄耐火材料對鋼水污染成為潔凈鋼生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)之一如果沒有合適的耐火材料，精煉后的鋼水，在成材前又可能在鋼包，特別是中間包中被重新二次污染。一概述共六十八頁一概述(ɡàishù)共六十八頁二連鑄耐火材料(nàihuǒcáiliào)損毀耐火材料(nàihuǒcáiliào)的總侵蝕率：

Wt=Wsys=Wc+Wf+Wth

式中，Wt

（或Wsys）為耐火材料總侵蝕率；Wc為由于化學(xué)反應(yīng)引起的耐火材料侵蝕率；Wf為由于流體力學(xué)作用引起的耐火材料侵蝕率；Wth為由于結(jié)構(gòu)應(yīng)力或熱應(yīng)力作用引起的耐火材料的侵蝕率。

使用條件：多相流動化學(xué)反應(yīng)熱應(yīng)力破壞協(xié)同作用共六十八頁二連鑄耐火材料(nàihuǒcáiliào)損毀Wff=f(τ,I)=τ(x,y)?I(x,y)——帶有夾雜物的鋼液沖向耐火材料表面時，造成短程切削與

塑性變形的坑，在反復(fù)塑性變形的情況下形成磨損。——高速流動的鋼液與耐火材料壁面之間由于相對運動而產(chǎn)生

剪切應(yīng)力，不斷地撕裂、剝落表面耐火材料。——湍流加劇了局部鋼液的攪動，促進沖蝕過程。因此(yīncǐ)，鋼液對耐火材料的沖蝕需考慮剪切應(yīng)力與湍流強度兩方面主要因素。式中，Wff為鋼液對耐火材料的沖蝕率；τ為壁面剪切力，Pa；

I為湍流強度；x、y、z分別為位置坐標(biāo)，m。中間包內(nèi)的耐火材料在高溫下的沖蝕可看作塑性沖蝕。共六十八頁二連鑄耐火材料(nàihuǒcáiliào)損毀以二流板坯中間包為例，系統(tǒng)研究了不同(bùtónɡ)控流裝置的配置對中間包耐火材料沖蝕強度的影響。中間包中心截面鋼液流場（a）擋渣堰距離入口750mm（b）擋渣堰距離入口1200mm（c）擋渣堰距離入口1500mm鋼液對耐火材料的沖蝕強度共六十八頁鋼液對耐火材料(nàihuǒcáiliào)的沖蝕率二連鑄耐火材料(nàihuǒcáiliào)損毀共六十八頁透氣(tòuqì)磚

彌散(mísàn)式直通孔式直通狹縫式

組合式二連鑄耐火材料損毀共六十八頁不同吹氣量(qìliàng)對透氣耐火材料溫度場的影響吹氣量(qìliàng)為7L/min吹氣量為10L/min二連鑄耐火材料損毀共六十八頁吹氣量(qìliàng)為13L/min

吹氣量(qìliàng)為15L/min二連鑄耐火材料損毀不同吹氣量對透氣耐火材料溫度場的影響共六十八頁透氣(tòuqì)磚應(yīng)力場

36m3/h

(b)45m3/h

(c)54m3/h不同的吹氣量條件下透氣(tòuqì)磚熱應(yīng)力分布（MPa）二連鑄耐火材料損毀共六十八頁(a)0.16mm(b)0.20mm(c)0.25mm不同(bùtónɡ)縫寬透氣磚在燒氧過程中的軸向熱應(yīng)力分布(MPa)

二連鑄耐火材料(nàihuǒcáiliào)損毀共六十八頁二連鑄耐火材料(nàihuǒcáiliào)損毀轉(zhuǎn)速(r)中心溫度(K)邊緣溫度(K)中心應(yīng)力(MPa)邊界應(yīng)力(GPa)101484.661785.4113.419.0201459.711782.6314.819.4301435.251779.929.6719.8401410.381777.1530.521.5不同轉(zhuǎn)速(zhuànsù)條件下試樣溫度與熱應(yīng)力分布試樣渣蝕深度與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系共六十八頁要求(yāoqiú)性能——

抗熱震性好——

高溫(gāowēn)強度大——

耐侵蝕性強二連鑄耐火材料損毀共六十八頁三塞棒耐火材料(nàihuǒcáiliào)塞棒：

二戰(zhàn)(èrzhàn)前唯一鋼流控制方式材質(zhì)——粘土質(zhì)，葉臘石二戰(zhàn)后，平爐大型化，鋼包大型化脫碳技術(shù)和連鑄技術(shù)引進，鋼水滯留時間延長。

設(shè)計思路：

——HardHead,SoftNozzle

——SoftHead,HardNozzle

共六十八頁三塞棒耐火材料(nàihuǒcáiliào)洋蔥鱗片(línpiàn)石墨

1、塞頭：層狀材料

共六十八頁塞棒本體：鋁碳質(zhì)＋熔融(róngróng)石英棒頭：Al2O3-C質(zhì)、MgO-C質(zhì)、ZrO2-C質(zhì)、MgAl2O4-C質(zhì)。塞棒棒頭和渣線部位材質(zhì)(cáizhì)的組成和性能項目本體棒頭和渣線化學(xué)組成％C31.215.613.314.8B2O31.6-2.00.6ZrO20.9-4.673.5CaO---3.1Al2O352.01.182.50.7MgO-71.3-1.0SiO215.715.50.84.6體積密度g/cm32.352.532.873.61顯氣孔率％17.916.816.315.6常溫抗折強度MPa7.44.99.48.1澆注鋼鐘普通鋼鈣處理鋼高氧鋼高錳鋼三塞棒耐火材料共六十八頁——

高熱導(dǎo)率——低膨脹系數(shù)

——高電阻(diànzǔ)——低介電常數(shù)——高熔點——與鋼水不潤濕

■AlN基本(jīběn)性能三塞棒耐火材料共六十八頁含AlN整體塞棒棒頭與浸入式水口(shuǐkǒu)碗部用材料性能材質(zhì)化學(xué)組成％體積密度g/cm3顯氣孔率％耐壓強度MPa抗折強度MPaAl2O3MgOSiO2AlNC+SiCMgO-C468--282.4217.0328.0AlN-Al2O3-C55--30152.5719.55414.5三塞棒耐火材料(nàihuǒcáiliào)共六十八頁具有緩解熱應(yīng)力功能的組分(zǔfèn)梯度層熱膨脹系數(shù)(péngzhàngxìshù)梯度功能梯度材料溫度梯度高溫區(qū)低溫區(qū)2、塞頭：梯度材料1984年，日本科學(xué)家平井敏雄首先提出。三塞棒耐火材料通過連續(xù)地改變兩種材料的組成和結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)部界面消失，從而得到功能相應(yīng)于組成和結(jié)構(gòu)的變化而漸變的非均質(zhì)材料，以減小和克服結(jié)合部位的性能不匹配因素。共六十八頁梯度(tīdù)塞棒耐火材料設(shè)想(shèxiǎng)：

鎂碳質(zhì)棒頭與鋁碳質(zhì)塞棒本體，因為熱膨脹系數(shù)不匹配，所以，在這兩種材料中間采用過渡層制成“梯度”塞棒耐火材料，消除熱應(yīng)力，以提高兩者之間結(jié)合強度。三塞棒耐火材料共六十八頁實例(shílì)三塞棒耐火材料(nàihuǒcáiliào)共六十八頁三塞棒耐火材料(nàihuǒcáiliào)共六十八頁各部分(bùfen)化學(xué)分析CAl2O3SiO2MgO棒頭8.97.280.3077.01棒頭后部17.21.451.8577.85棒身過渡帶22.963.375.051.21棒身31.251.713.08-各部分(bùfen)物理性能顯氣孔率％體積密度g/cm3耐壓強度MPa抗折強度MPa抗折強度MPa1400℃×15min棒頭92.81---棒頭后部162.6029--棒身17.52.3623.576.376.23三塞棒耐火材料共六十八頁在鋼包、中間包底部的滑動水口系統(tǒng)(xìtǒng)中，用來控制鋼水流出和流量大小的功能性耐火材料。

◆承受溫度驟然升降，溫差較大而引起裂紋擴展；

◆控制鋼水流量時滑板來回滑動，使滑動面磨損，造成開合困難；

◆鋼水對鑄孔的沖刷，造成擴孔；

◆為提高抗侵蝕性和抗熱震性，在滑板中添加了碳素原料，從而又引

起抗氧化性差和強度下降的問題。

四滑板耐火材料(nàihuǒcáiliào)滑板共六十八頁

控制鋁鋯碳滑板材料的微氣孔(qìkǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化材料的性能，試想在現(xiàn)行滑板的基礎(chǔ)上進一步提高滑板的使用壽命。

——采用不同碳素原料

——硅粉粒度及添加量——Al2O3微粉

——燒成溫度基本(jīběn)研究思路：四滑板耐火材料共六十八頁

在1000t的摩擦(mócā)壓磚機上壓制標(biāo)準(zhǔn)磚，燒成以后，把試驗樣磚切成斷面呈梯形、厚約25mm、高110mm條形試樣，組裝成坩堝。侵蝕劑為鋼包渣，鋼渣的化學(xué)分析結(jié)果見表。在坩堝底部放入鋼塊，加熱熔化后加入鋼渣，在1580℃～1620℃溫度范圍內(nèi)保溫3h，每隔1.5h換一次渣，保持渣線位置不變，待冷卻后取出試樣，沿渣線方向切開，通過檢測蝕損深度來判定抗渣性。成分TFeSiO2Al2O3CaOMgOF含量[%]28.3310.3812.9832.0810.010.49渣的化學(xué)成分分析(fēnxī)

采用電磁感應(yīng)爐抗渣法四滑板耐火材料共六十八頁抗氧化磨耗(móhào)性將試樣置于電爐(diànlú)中，在1100℃×2h條件下氧化（升溫曲線為：1h，200℃；2h，200～500℃；3h，500～1100℃），隨爐冷卻以后的試樣在常溫耐磨試驗機（型號CWNMJ-9901A）上進行耐磨試驗。試驗條件：將1kg碳化硅粉（粒度0.3～0.5mm）噴吹到被氧化試樣的表面，噴吹時間為450秒，工作壓力為448kPa。通過測定體積損失來表征抗氧化磨耗性好壞。體積損失計算公式為：四滑板耐火材料共六十八頁

炭素原料對滑板材料顯微結(jié)構(gòu)及性能(xìngnéng)的影響

材料中生成大量質(zhì)量較好的SiC晶須，能夠使材料形成更好的陶瓷結(jié)合，可以有效地提高材料的強度，改善材料的顯微結(jié)構(gòu)。選用炭黑A和炭黑B兩種超細炭素以及鱗片石墨三種原料，考察這三種炭素原料的添加(tiānjiā)對材料結(jié)構(gòu)與性能的影響。制得的烘干試樣在隧道窯中埋炭燒成（1480℃×8h）。四滑板耐火材料共六十八頁試樣(shìyànɡ)的物理性能及微孔率編號配料特點顯氣孔率[%]體積密度[g/cm3]常溫耐壓強度[MPa]高溫抗折強度[MPa]d<1μm微孔率[%]T1鱗片石墨11.53.1448.49.956.1T2炭黑A7.13.1673.813.7570.2T3炭黑B10.33.0867.311.2571.4圖2試樣T1,T2,T3的孔徑的累積分布(fēnbù)曲線可以發(fā)現(xiàn)，所有試樣基本上沒有直徑d＞100μm的孔，但試樣T2、T3中直徑d＜1μm的氣孔體積比率明顯比T1增加。其中試樣T1、T2和T3中孔洞直徑d<1μm的孔體積總量占總孔體積的比率分別為56.1%、70.2%和71.4%。四滑板耐火材料共六十八頁a）石墨(shímò)（T1)b)炭黑A(T2)c)炭黑B(T3)圖10添加不同炭素原料的鋁鋯碳滑板試樣的斷口SEM照片四滑板耐火材料(nàihuǒcáiliào)共六十八頁硅粉添加(tiānjiā)量及粒度對材料顯微結(jié)構(gòu)及性能的影響圖4試樣強度(qiángdù)隨硅粉添加量的變化圖5試樣抗氧化性隨硅粉添加量的變化四滑板耐火材料共六十八頁圖6試樣抗氧化磨耗性與硅粉添加(tiānjiā)量的關(guān)系圖7侵蝕后試樣的外貌J2:2.8mmJ3:3mm四滑板耐火材料(nàihuǒcáiliào)共六十八頁添加不同粒度金屬硅粉對材料(cáiliào)性能的影響表3添加(tiānjiā)不同粒度金屬硅粉試樣物理性能與微孔率編號顯氣孔率[%]體積密度[g/cm3]常溫耐壓強度[MPa]d＜1μm的微氣孔率[%]J4-粗18.62.9471.770.9J5-細17.62.9880.880.8J4J5圖8燒成后試樣J4、J5的孔徑分布曲線燒成試樣的性能指標(biāo)表明，與試樣J4相比，試樣J5的顯氣孔率較低，常溫耐壓強度較高，體積密度較大，微氣孔率也較高。即添加粒度較細的硅粉更能改善材料的物理性能和微孔結(jié)構(gòu)。四滑板耐火材料共六十八頁在1400℃×2h條件下檢測試樣J4、J5的抗氧化情況，其氧化深度為J4：7mm（氧化失重率：1.67%），J5：5.5mm（氧化失重率：1.62%），其氧化后的截面實物相片見圖9。由實物圖可以(kěyǐ)發(fā)現(xiàn)，添加較細粒度Si粉的試樣J5的抗氧化性較好。

J4J5圖9氧化(yǎnghuà)后試樣的切開面四滑板耐火材料共六十八頁較細粒度硅粉（J5）圖11添加(tiānjiā)不同粒度硅粉的鋁鋯碳滑板試樣的斷口SEM照片較粗粒度硅粉(J4)a)J2b)J4c)J5圖12燒成試樣(shìyànɡ)的衍射圖譜四滑板耐火材料共六十八頁燒成溫度對材料性能(xìngnéng)的影響將烘烤(hōnɡkǎo)后的T2試樣在電爐中分別以A、B、C（1100℃〈A〈B〈C〈1600℃）三個溫度埋炭燒成。圖3試樣性能與燒成溫度的關(guān)系四滑板耐火材料共六十八頁

A（低溫?zé)桑〤（高溫?zé)桑﹫D13不同(bùtónɡ)溫度燒成后鋁鋯碳滑板試樣斷口的SEM照片四滑板耐火材料(nàihuǒcáiliào)共六十八頁Al2O3微粉對材料顯微結(jié)構(gòu)及性能(xìngnéng)的影響

微粉填充在顆粒的孔隙中，有利于緊密堆積；在燒成的過程中，微粉有利于傳質(zhì)，促進燒結(jié)。實驗所選用的微粉有：

——活性氧化鋁微粉-1

——活性氧化鋁微粉-2

——白剛玉微粉

——板狀剛玉(gāngyù)T-60

——煅燒氧化鋁微粉四滑板耐火材料共六十八頁表4微粉原料(yuánliào)的比表面積和粒度分布

微粉比表面積[m2/g]粒度徑距d10[μm]d50[μm]d90[μm]真密度[g.cm-.3]活性氧化鋁微粉-13.02.5活性氧化鋁微粉-22.564.460.6832.52911.9603.9522白剛玉微粉1.355.3420.7588.06743.851板狀剛玉T-603.0煅燒氧化鋁微粉0.94.0除了(chúle)白剛玉微粉的d50較大以外，板狀剛玉微粉T-60、煅燒氧化鋁微粉、活性氧化鋁微粉-1、活性氧化鋁微粉-2的d50數(shù)據(jù)相差很小。四滑板耐火材料共六十八頁在細粒度粉料總量保持不變的基礎(chǔ)上，分別(fēnbié)以五種微粉替代部分粒度〈0.044mm的板狀剛玉細粉進行配料，如表5所示。試樣經(jīng)110℃×24h干燥后在隧道窯中埋炭燒成（1470℃×6h）。原料L1L2L3L4L5L6板狀剛玉0.044mm++++++板狀剛玉微粉T-60++++煅燒氧化鋁微粉+活性氧化鋁微粉-1+活性氧化鋁微粉-2+白剛玉微粉+試驗(shìyàn)配比四滑板耐火材料共六十八頁表6燒成后試樣(shìyànɡ)的物理性能及微孔率試樣編號顯氣孔率[%]體積密度[g.cm-.3]常溫耐壓強度[MPa]高溫抗折強度[MPa]微孔率[%]L112.43.1172.27.9532.7L211.23.1488.510.9838.4L311.03.1496.110.1037.5L411.13.1385.112.6142.8L511.23.14105.814.8237.0L611.33.1292.614.6458.6由孔徑分布曲線可以看出，添加了一種微粉的試樣L2和L6與只添加0.044mm的板狀剛玉細粉的試樣L1相比，試樣L2和L6的孔徑分布得到了明顯的改善，d<1μm的微孔率明顯增多；而與試樣L2、L6相比，同時添加了兩種微粉的試樣L3、L4、L5的d<1μm的微孔率趨于增大(zēnɡdà)。與此相對應(yīng)，引進微粉同樣對材料的物理性能有明顯的改善，引進一種微粉的試樣L2和L6與只添加了<0.044mm的板狀剛玉細粉的試樣L1相比，試樣L2、L6的顯氣孔率降低，體積密度、常溫耐壓強度和高溫抗折強度增高。在添加一種微粉的基礎(chǔ)上，添加第二種微粉，材料的物理性能與L2、L6相比，物理性能盡管有些波動，但總的趨勢得到進一步提高。四滑板耐火材料共六十八頁工業(yè)(gōngyè)試驗

根據(jù)上述實驗結(jié)果，對配方進一步優(yōu)化在馬鋼耐火材料公司研制了Al2O3-ZrO2-C滑板，并在馬鋼第二鋼軋總廠擴大試用。試用工藝條件：氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐四座（30t×4），平均出鋼量36t，鋼包公稱容量40t，澆注時間30～50min，鋼包澆注溫度：1570～1640℃，全連鑄。澆注鋼種：Q235～195、16Mn礦、Q345、HRB335-400等。共試用滑板300套，跟蹤觀察使用情況得出(déchū)如下結(jié)果：滑板平均壽命〉3次，有一定數(shù)量的滑板連用次數(shù)達到4次，正常情況下，滑板孔擴徑一般為10～15mm，少數(shù)為18mm。四滑板耐火材料共六十八頁金屬復(fù)合鋁（鋯）碳滑板

◆抗氧化性好◆熱震穩(wěn)定性高

◆抗侵蝕性強◆高溫(gāowēn)強度大編號熱處理溫度℃化學(xué)組成％顯氣孔率％體積密度g/cm3抗折強度MPa侵蝕指數(shù)抗氧化指數(shù)使用壽命Al2O3ZrO2F.CAlR.T1400℃500℃1000℃1＞100080128-4.63.423322140303542＜50095.5-3a8.33.1422331008030-3500~100095.5-4a7.23.19353710050256四滑板耐火材料(nàihuǒcáiliào)共六十八頁印度(yìndù)八達通卡有限公司納米材料對Al2O3-ZrO2-C耐火材料(nàihuǒcáiliào)性能的影響四滑板耐火材料共六十八頁納米材料對Al2O3-ZrO2-C耐火材料(nàihuǒcáiliào)性能的影響四滑板耐火材料(nàihuǒcáiliào)共六十八頁納米結(jié)構(gòu)基質(zhì)(jīzhì)在SN滑板材料中應(yīng)用四滑板耐火材料(nàihuǒcáiliào)共六十八頁納米結(jié)構(gòu)基質(zhì)(jīzhì)在SN滑板材料中應(yīng)用四滑板耐火材料(nàihuǒcáiliào)共六十八頁納米(nàmǐ)結(jié)構(gòu)基質(zhì)在SN滑板材料中應(yīng)用四滑板耐火材料(nàihuǒcáiliào)共六十八頁納米結(jié)構(gòu)(jiégòu)基質(zhì)在SN滑板材料中應(yīng)用四滑板耐火材料(nàihuǒcáiliào)共六十八頁五氣幕擋墻耐火材料(nàihuǒcáiliào)共六十八頁抗熱震性透氣性抗鋼水滲透性熔點高熱膨脹系數(shù)小晶粒呈柱狀、針狀機械強度微孔高強透氣材料Al2O3-SiO2溶膠/凝膠外加劑莫來石晶須莫來石凝膠SEM照片(zhàopiàn)微孔高強透氣(tòuqì)材料SEM照片五氣幕擋墻耐火材料透氣材料共六十八頁顯氣孔率%耐壓強度MPa抗折強度MPa氣孔平均直徑μm透氣度μm2未添加凝膠粉32112.525.1521.1添加凝膠粉11.2623.5孔徑(kǒngjìng)3111.727透氣材料凝膠處理前后的孔徑分布(fēnbù)及物理性能對比（1500?C×3h）五氣幕擋墻耐火材料共六十八頁氣泡捕獲夾雜(jiāzá)物機理示意圖

數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計方案工業(yè)試驗鋼水流場夾雜物運行軌跡夾雜物去除率修正模型水力模擬吹氣參數(shù)控流位置氣泡大小氣幕擋墻冶金(yějīn)五氣幕擋墻耐火材料共六十八頁不吹氣(A)與吹氣(B)的流場比較(bǐjiào)(A)只采用(cǎiyòng)湍流控制器的中間包內(nèi)，在湍流控制器的兩側(cè)，形成較大的回流區(qū)，不利于夾雜物的上浮。五氣幕擋墻耐火材料共六十八頁不吹氣(A)與吹氣(B)的流場比較(bǐjiào)(B)氣幕擋墻和湍流控制器配合使用時，形成的氣泡幕改變了鋼液的流動方向，迫使(pòshǐ)鋼液向上流動。在氣幕擋墻的兩側(cè)形成兩個方向相反的回流區(qū)，使該區(qū)域鋼液的混合加劇。五氣幕擋墻耐火材料共六十八頁湍流(tuānliú)控制器+上擋墻+下?lián)鯄?/p>

湍流(tuānliú)控制器+氣幕擋墻+下?lián)鯄?/p>

湍流控制器+氣幕擋墻+上擋墻

五氣幕擋墻耐火材料共六十八頁湍流(tuānliú)控制器+氣幕擋墻+上擋墻+下?lián)鯄?/p>

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