高效连铸用功能耐火材料发展和分析研究动向

高效连铸用功能耐火材料发展和研究动向

李红霞刘国齐杨彬

中钢集团洛阳耐火材料研究院洛阳 471039

摘要在高效连铸技术发展的推动下，连铸用功能耐火材料的主要进展是使用寿命上有明显提高，开发了复合结构水口解决水口堵塞和适应高侵蚀性钢种连铸，在水口结构上以数值模拟和水模拟结果为优化设计依据，保证流场稳定、连铸工艺稳定和铸坯质量提高。

关键词高效连铸、功能耐火材料、数值模拟、水模拟

在实现了高连铸比的发展后，连铸技术的主要发展内容是高效连铸、高品质钢连铸和近终形连铸以提高连铸机生产效率、发展中包冶金和优化结晶器流场减少非金属夹杂提高铸坯质量。

连铸用功能耐火材料(保护套管、整体塞棒、浸入式水口>是连铸技术的关键耐火材料，产品在使用中起着特定的功能作用，如控流作用、吹气搅动作用、防止二次氧化保护浇铸作用、决定钢液在结晶器内的流场分布等。高速连铸是在保证铸坯质量的前提下提高铸机产量和实现铸机与热轧生产率匹配的重要手段。拉速的提高，必然导致钢水流速和流量的提高，拉速提高造成结晶器内钢水较大的表面流速和液面波动、为控制钢水流动而采用的电磁制动以及为改善结晶器的传热与润滑而采用的高熔化速度、低熔点、低粘度的保护渣，这些变化都会加剧对功能耐火材料冲刷和侵蚀，要求功能耐火材料提高性能才能够保证高速连铸的高炉次连铸的顺利实现。同时，高速连铸时液面波动和不稳定性增大，增加了结晶器漏钢和卷渣的几率，增加了夹杂物上浮阻力，对水口防堵和稳流要求提高，高性能、功能化、合理结构的连铸“三大件”是高效连铸的顺利实施的重要保障条件。在连铸技术发展的推动下，连铸技术的关键耐火材料——

功能耐火材料适应高效连铸的高可靠性、高寿命和结晶器流场稳定性要求、也有了很大的发展和进步。主要进展有：优化材料性能和材料选择明显提高使用寿命，发展材料功能，防堵塞、不污染钢液和减少增碳，应用计算机模拟和水模拟技术设计产品结构优化流场。1高寿命连铸用功能耐火材料的发展

连铸用长水口(保护套管>、整体塞棒、浸人式水口使用条件苛刻，在性能指标、质量稳定性等方面都有着非常高的要求，材质特点是采用抗热震性优异的高档含碳耐火材料，使用特点是一次性使用和制品关键部位的使用效果决定其使用寿命。浸人式水口的使用寿命取决于渣线，长水口使用寿命取决于上端(颈部>、渣线和下端出钢口，整体塞棒使用寿命取决于棒头，连铸三大件使用寿命的提高主要是提高这些部位的抗渣液、钢液侵蚀性和抗冲刷性等性能。

1．1浸入式水口

1>浸入式水口渣线材料的发展

ZrO2-

C材料是当前浸入式水口最通用的渣线材料，ZrO2具有优异的抗渣性，鳞片状石墨除抗渣润湿外主要作用是赋予ZrO2-

C材料以优异的抗热震性。渣线材料的抗侵蚀性是决定水口使用寿命的关键因素，了解材料损毁过程机理是材料性能优化的依据。国内外对渣线材料的损毁过程机理已进行了大量的研究。多数研究认为ZrO2-

C材料的侵蚀是石墨和ZrO2交替被侵蚀的过程，即与钢液接触时，ZrO2不被侵蚀，石墨溶

解于钢液中或被氧化，使ZrO2颗粒暴露；与渣液接触时，石墨和渣液不浸润，ZrO2颗粒被溶蚀、分解，暴露出石墨，如此反复进行，造成渣线材料的蚀损。保护渣、钢液和ZrO2-

C材料的显微结构对侵蚀速度都有重要影响。ZrO2-

C材料的发展，主要还是在保证抗热震性前提下通过显微结构精细化设计来提高渣线材料抗侵蚀性，如优化电熔氧化锆原料和石墨的比例，粒度组成、采用特制的结合剂树脂等等。

兼顾抗热震性，ZrO2-

C材料合适的ZrO2含量在10～15％之间。调整ZrO2粒度组成可使ZrO2-

C材料的抗侵蚀性提高，表1给出了不同ZrO2粒度组成对ZrO2-

C材料的抗侵蚀性影响［1］。气孔率和气孔分布对ZrO2-

C材料的抗侵蚀性影响超过ZrO2含量影响，通过降低气孔率和使气孔微细化，对提高抗侵蚀性有明显作用［2］，、绎讨优化以及i车铸技术的提高，浸入式水口使用寿命满足了连铸炉次的提高。

2>近终型连铸用浸人式水口

近终型连铸是发展高效连铸的一个重要方向，薄板坯连铸是到目前为止发展最成功的近终型连铸技术。当前我国薄板坯连铸在全球钢铁界是发展最快、产能最大，技术水平已达到国际先进。薄板坯连铸用浸入式水口是其重要相关技术之一，对连铸炉次的高低起很关键的作用。与常规连铸相比，薄板坯连铸的特点是拉坯速度高(4．0～6．0M／min>，保护渣侵蚀性强，浸入式水口结构复杂，要求功能耐火材料有更高的性能和更长的使用寿命，以保证近终形连铸生产的稳定性和高效率。常规连铸用浸入式水口在材质上采用含碳耐火材料，保证了高抗热震性和使用的安全性及一定的使用寿命，但将之简单应用到薄板坯连铸存在如下的不适应：一是使用寿命上的与近终形连铸高效率的不适应，二是性能与强化了的使用条件不适应，二者需要有一提升，特别是渣线ZrO2-C材料的性能需进行优化。

由洛耐院开发的薄板坯连铸用异形浸人式水口，具有优良的抗热震性、渣线抗侵蚀性高、水口碗部及内腔耐冲蚀性优良等特点嘲，表3为开发生产的薄板坯连铸用浸入式水口性

能指标，其渣线材料的特点是选用优质电熔ZrO2原料，较低的碳含量，较低的气孔率，使用寿命在12小时以上，达到国际先进水平，满足钢厂连铸牛产的需要。

3>高侵蚀性钢种和洁净钢连铸用浸人式水口

常规铝碳材质浸人式水口不适应洁净钢、高级钢，如汽车用超低碳钢板、电工钢等和一些高侵蚀性钢种如高氧钢、钙处理钢、高锰钢等连铸要求，存在对钢液增碳，内壁、特

别是吐钢口异常蚀损造成钢品质降低、流场变化、卷渣可能增加、使用寿命明显下降等问题，需使用其他抗侵蚀性高的内衬材料。尖晶石膨胀系数和刚玉相同，低于MgO，耐硷性渣和FeO侵蚀性优于刚玉，表4给出了A12O3－C、尖晶石一C材料性能对比[4]。

日本品川公司[5]开发的尖晶石内衬和尖晶石一碳出钢口浸入式水口，用于浇铸高氧钢(C含量<40ppm，氧含量在100～600ppm＝使用寿命比铝碳材料提高了3倍。同样也适用于高锰

钢(1～2 mass％Mn>、不锈钢、易切削钢(S 0．3％，O 100一150 ppm>、钙处理钢等。浇钢过程中，铝碳材料中的A12O3和Mn、Fe、O反应生成(Mn、Fe>O·A12O3，进而与钢液中夹杂MnO—

FeO反应生成液相，导致蚀损和加快石墨氧化及向钢液中溶解。尖晶石和FeO、MnO不反应、而且能在表面形成一尖晶石为主的致密层，此致密层可抑制石墨向钢液中溶解，提高吐纲口抗蚀性，稳定流场，提高铸坯质量。

洛耐院开发的低碳尖晶石一碳内衬水口用于高侵蚀性钢(成分％：C≤0．09，Mn 1．15—1．5，P 0．04一0．09，S 0．04一0．09，Si≤0．03，Pb≤0．01>连铸，连铸炉次成倍增加。图1为连浇180min后水口碗部和流钢通道形貌照片，表面干净，几乎看不出有任何侵蚀。

1．2 长水口

长水口是进行保护浇注提高钢质量的重要功能耐火材料。在某种程度上来讲，长水口的抗热冲击性是连铸三大件中要求最高的。当前国内钢厂连铸用长水口已是不预热直接使用，