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炼钢炉/冶金机械 |
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国内薄板坯连铸用浸入式水口研究的进展 |
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作者：王阳 朱万军 |
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随着中国钢铁工业的飞速发展，薄板坯连铸已成为各大钢铁公司竞相开发的主要项目，到2005年底，我国薄板坯连铸连轧生产线已达到12条，连铸线22条，其中CSP线6条(珠钢、邯钢、包钢、马钢、涟钢、酒钢)，FTSR线3条(唐钢、本钢、通钢)，ASP线3条(鞍钢、济钢)，产能达到3100万t/a。薄板坯连铸保护浇铸用浸入式水口是其生产过程中的关键耐火制品。浸入式水口在使用过程中的稳定性、高寿命对铸坯生产的产量和质量都有决定性的影响。受结晶器尺寸的限制，该浸入式水口形状特异，外型扁平，不仅给成型、制作带来极大的困难，更对如何更好地匹配制品的热震稳定性和抗侵蚀性能带来严格的要求。面对我国蓬勃发展的钢铁行业，国内一些知名的耐材企业与各大钢厂合作，研究开发出了薄板坯连铸浸入式水口，使中国耐材工业走上了国际高端产品的竞争市场，改变了全世界薄板坯连铸连轧生产厂浸入式水口的供应被国外极少数耐材生产厂垄断的局面，对我国钢铁工业的自主、可持续发展，具有重大的意义以及巨大的经济和社会效益。
薄板坯连铸用浸入式水口的形状及使用要求
由于国内各薄板坯连铸机的结晶器形状不同，各类型工艺所采用的浸入式水口形状也不同。下面分别介绍各类型的浸入式水口。
⑴ CSP浸入式水口。
由德国曼内斯曼-西马克(SMS)公司研制成功的CSP连铸机，使用漏斗形结晶器，该浸入式水口采用了Al2O3-ZrO2-C质材质。图1-a为珠钢使用的CSP浸入式水口结构简图。
⑵ FTSC浸入式水口。
唐钢、本钢和通化钢厂使用的是由意大利达涅利公司开发研究成功的FTSC连铸机。其结晶器为凸透镜型，该浸入式水口采用的是上、下四开孔的扁平水口，图1-b示出了国内正在使用的FTSC浸入式水口的结构简图。
(3) CONROLL浸入式水口。奥钢联研制的CONROLL连铸机采用的结晶器是平行板式结晶器，其浸入式水口是分叉形浸入式水口，从薄片的两侧壁开孔出钢。鞍钢和济钢ASP生产线的结晶器和振动装置是引进奥钢联的CONROLL技术，其浸入式水口结构如图1-c所示。
薄板坯连铸用浸入式水口以上的特点和要求，对现行常规水口的制作技术提出了挑战，需要用新的思路来提高和改善水口的理化性能和冶金学功能。
图1 各浸入式水口结构简图
薄板坯连铸用浸入式水口的制作技术
1生产工艺流程:
浸入式水口制作工艺流程如图2所示。各种原材料经过混炼，成为混合均匀的复合粉体，经等静压成型，成为所要求形状的生坯，经高温烧结制成具有一定强度的制品，再经整形，加工成所需尺寸。最后经探伤检查后，包装出厂。
图2 浸入式水口制作工艺流程
2薄板坯连铸用浸入式水口关键技术的解决:
薄板坯连铸机的结晶器因为形状所限，要求浸入式水口必须制成扁平形状。扁平形状的水口较普通圆管水口热应力分布不均匀，在温度发生变化时，易产生炸裂，所以这种产品对热震稳定性要求特别高。扁平水口内表面与钢水接触面积比圆管状水口的内表面大，所以要求抗冲刷能力更强。另外，水口超薄本体下，渣线部位抗渣侵蚀和抗冲刷能力性能也要求更高。
1) 提高热震稳定性的解决方案
根据有关热传导的理论分析和浸入式水口的大量实际应用经验表明，在钢水开浇初期，钢水热流瞬间冲击浸入式水口内表面，产生极大的热冲击应力，这期间最易使浸入式水口产生热震断裂和损伤。因此，在开浇初期尽量减缓钢水对浸入式水口的热冲击是提高水口热震稳定性的关键，即减少单位时间内钢水传递给浸入式水口的热量，将急热急冷的热冲击状态转变为近似缓慢升温的受热状态。
根据材料的显微结构与热传导性质和裂纹扩展的关系，材料中的气孔率对热传导有重要的影响。热量通过固体连续相的传导速率比通过气孔相的传递快约25%～30%。因此，有意识地提高水口内壁的气孔率，是减少单位时间内钢水传递给浸入式水口本体热量，减小本体内热冲击应力，提高浸入式水口热震稳定性的有效手段。在浸入式水口制作的过程中，使浸入式水口内层的气孔率达到30%～40%，远高于浸入式水口本体的平均水平。利用其热传导慢的特性，减缓钢流热量的冲击;同时利用多孔材料的孔洞钝化裂纹尖端阻碍裂纹失稳扩展的特性，可以减少了开浇初期在浸入式水口内部造成的热损伤。
2) 提高渣线耐侵蚀性能的解决方案
浸入式水口ZrO2-C渣线局部熔损的机理，在许多文献中都有详细的研究。为提高渣线耐侵蚀性能，在浸入式水口制作的过程中，以进口ZrO2原料替代国产ZrO2原料、选择碳含量达99%以上的石墨等高纯原料;将稳定性氧化锆的原料粒度级，由原来的三级改为四级，使体积密度有所提高;同时在渣线配料中加入2%的0.05～0.5微米的Al2O3微粉，使其分布在氧化锆耐火骨料之间，提高各种原材料在高温状态下的结合力，并填充耐火骨料中尺寸比较大的孔隙，可以减少保护渣及钢液对浸入式水口的渗入。
3) 复合渣线设计
为保证薄板坯连铸浸入式水口渣线的耐侵蚀性能，渣线部位采用ZrO2材质。ZrO2的热膨胀系数很高(～11×10-6/(C)，抗热震性差。为提高水口渣线部位的热震稳定性，利用功能梯度复合的思想，在水口渣线内侧再复合一多孔Al2O3-C层，设计制造了Al2O3-C/ZrO2-C复合渣线。
薄板坯连铸用浸入式水口冶金功能分析
薄板坯连铸机结晶器内钢液的流动状况对生产高质量的产品十分重要。实践表明，浸入式水口的几何结构对结晶器熔池内钢液表面的波动、熔池内的温度场分布有决定性的影响，较小的液面波动和较高的液面温度对保护渣的熔化、减少卷渣和提高铸坯的质量十分有利。图3-a为使用传统FTSC水口时，结晶器内钢液流场、液面波动及温度场的情况。图3-b为对传统FTSC水口结构优化后，新设计的FTSC浸入式水口的钢液流场、液面波动及温度场。对比表明，水口几何结构优化后，结晶器内高温区明显上移，同时液面波动幅度在铸坯宽度内趋于合理。所有这些改进在实际使用中都取得了明显的效果，获得了钢厂的一致好评。特别值得一提的是，图3-b所示的改型FTSC浸入式水口，是国内第一个具有中国自主知识产权的薄板坯水口设计，是我国薄板坯浸入式水口开发过程中的重大进展。
图3FTSC浸入式水口的钢液流场及温度场
(end)
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(3/16/2007) |
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