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有利于环境的连铸用耐火材料 发布日期:09-21

 

有利于环境的连铸用耐火材料

古城炉料

1 前言

   从节能的观点来看,连铸用耐火材料行业已广泛使用注意自然环境保护的产品,如轻烧滑动水口(下称SN)板和轻烧水口,根据使用条件的不同,这些产品的耐用性超过了烧成制品。另外,为尽量避免产业废弃物的产生,还采用了许多技术,如更换滑板的暗销,将内面研磨后再使用的技术。或将用户用过的长水口的浸渍部截断,然后用耐热性粘结剂将其与新的浸渍部连接起来再使用的技术等。另一方面,考虑到作业环境,还采用了SN板容易更换操作的SN滑动装置,或能适应中间包热态旋转操作的SN耐火材料自动更换装置,以及各种连铸水口自动更换装置等。因此可以说连铸用耐火材料行业的产品开发不仅考虑到产品的性能和生产效率,而且还考虑到了对环境和人体的影响。此次特别考虑到浸入式水口和长水口等所使用的隔热材料对人体健康的影响,介绍了一种能进一步提高连铸水口所需性能的产品。

2 开发背景

  浸入式水口和长水口等连铸水口一般都使用了陶瓷纤维板等隔热材料。现在我们先来分析一下当初使用这种隔热材料的原因。根据在普通的浸入式水口表面贴上厚度不同的纤维板,预热至大约1000°C后,在相同的条件下空冷时水口本体温度变化的实测结果,对空冷开始10分钟后的温度进行比较可知,在没有使用纤维板的情况下,水口本体温降至大约600°C,而在使用3mm厚纤维板的情况下,水口本体温度则下降至800°C,有效防止温度下降大约200°C。接着,根据这一数据进行了FEM(有限单元法)计算,看看它对热应力和热损失有何影响。调查了在10分钟空冷后,当1600°C钢水从水口内流过开始,经36秒时的浸入式水口内部发生的热应力分布和水口本体的温度分布。由此可知,仅仅3mm厚的隔热层能大大减小热应力,并使水口本体温度升高,说明隔热层能有效防止水口的热损失。

  但是,由于这种陶瓷纤维会对人体和环境产生不利的影响,因此近年来欧共体各国正在对游离纤维的使用进行规定。特别是,荷兰从1994年底开始用法律规定,是最早对纤维使用作出规定的国家。荷兰对纤维的规定是纤维中的Al2O3的含量必须低于30mass%,平均纤维直径必须大于5μm。这是因为纤维直径越小,Al2O3含量越高,对人体的不利影响就越大,特别是Al2O3含量越高,在人体内越难溶解,因此纤维的含量和纤维的直径备受重视。虽然无定形氧化硅纤维的SiO2含量超过95mass%,但加热后会慢慢形成方英石,是造成粉尘肺的主要原因,因此这种纤维在荷兰也被禁止使用。

  另一方面,日本对上述纤维的使用没有特别的规定,通常所使用的陶瓷纤维的耐热度在1250℃Al2O3含量大约45~50mass%,平均纤维直径大约2.5~3.0mm,达不到荷兰所规定的标准。另外,在把纤维卷缠在水口表面的作业中和水口的搬运或废弃时,由于采用粘结剂的纤维板的粘贴作业需要人手和时间,因此需要有一种生产效率高的作业方式,以便能更有效地形面隔热层。

  从单纯物体来看,纤维板具有良好的隔热性能,但又常常发生降低水口性能的问题。例如,由于纤维板本身的强度和粘结强度低,因此搬运时和安装作业时容易发生剥落,达不到均匀隔热,在浇注现场常常需要修理。在1000℃以上的高温浇注过程中,常常能观察到纤维板层会吸收抗氧化层产生的玻璃融液,或因喷溅而降低融点。这种现象与抗氧化膜被破坏后母材的氧化有关,结果造成隔热性能下降,因此应避免这种现象的产生。

  如上所述,为解决纤维板在环境上和性能上以及生产效率方面的问题,开发了不含陶瓷纤维的连铸水口用隔热耐火涂料(下称成形耐火涂料)

3 成形耐火涂料的特性和性能

3.1 耐火涂料的材料构成和特征

  研究了用珍珠岩、蛭石和无机气球等轻量粒状骨料替代纤维的隔热原料。考虑到其隔热性能、耐火度(使用的温度界限1400℃)、比重和适合于喷雾涂敷作业的粒度等,添加了数种粒状隔热骨料。作为隔热骨料之一就是适量添加蛭石等。蛭石等加热到300℃以上时,其体积会增大,能提高隔热性能。这些骨料在脱水的同时会发生膨胀,在热态下会产生一种使耐火涂料成形的驱动力,可以减少热态下的导热率。耐火涂料的基体由Al2O3,SiO2耐火粉末、玻璃粉末及粘结剂构成。适当添加这些原料有助于提高耐火性和基体强度。另外,玻璃粉末的作用是在所规定的温度下会形成玻璃状,并生成融液,能提高抗氧化性能,同时有助于气孔的密闭,所以可适当添加。

3.2 成形耐火涂料的隔热性能

  成形耐火涂料层的最重要特性就是隔热。保温性高可改善耐热震性有助于防止热损失,最初采用热流法测定耐火涂层的导热率。为形成隔热层,因此准备了一块铁制母材(230×114×24mm),在其表面上均匀地喷涂一层大约6mm厚的成形耐火涂料层。此时在母材和涂料层的界面中埋入热电偶。干燥后将涂料层的厚度精确地修整至5mm,然后在涂料层表面放上热电偶作为测定试料。另外,为便于比较,还对厚度为3mm的纤维板的导热率进行了相同的测定。虽然成形耐火涂料层的导热率不如纤维板,但可以看到当温度超过400℃时,导热率有下降的趋势。这是因为隔热骨料伴随着脱水现象组织发生变化的缘故。超过1000℃的导热率因测定装置的限制而无法确定。

  以下,就在抗氧化层共存的情况下将浸入式水口在超过1000℃的温度加热时的保温性能进行比较实验。由于隔热层的保温效果因测定条件的不同会有很大的变化,结果可知,使用成形耐火涂料水口的温度下降比使用纤维板的水口慢,保温性能比纤维板好。在使用纤维板的水口中能看见纤维板会吸收抗氧化融液,由此可以认为组织致密会造成导热率的升高。另一方面,在使用成形耐火涂料的水口中没有发现成形耐火涂料吸收抗氧化材料的融液和母材的氧化,形状良好。

3.3 从抗氧化性能的比较到纤维板和成形耐火涂料的氧化试验比较

  用于试验的试料是先将母材 (30%C-55%Al2O3-15%SiO2 Φ 110×25mm)全部涂上大约0.5mm厚的抗氧化材料(液相生成温度大约800℃,然后在母材平面处的一面粘贴上3mm厚的纤维板(49% Al2O3-51% SiO2)。另外,再准备一块相同的试料并喷涂大约3mm厚的成形耐火涂料。将这些试料用电炉进行800℃、1200℃1400℃的氧化试验。采用纤维板的试料在800℃烧成后,隔热层没有大的变化,但在1200℃1400℃烧成后,隔热层变得致密,母材的一部分发生了氧化,根据氧化部分的放大照片可以看到由抗氧化材料生成的玻璃融液被隔热纤维吸收了,覆盖母材的抗氧化膜消失。而采用成形耐火涂料的试料不论在何种温度下母材都不会发生氧化,具有良好的抗氧化性。其原因之一可以认为是,成形耐火涂料层内部的玻璃状成分在规定的温度下会形成融液,组织内产生液相,由此难以从基体表面吸收抗氧化膜生成的玻璃融液。

  更为严格的评价办法是进行了假设氧化铁因喷溅会粘附在水口表面的氧化试验。试验所用的试料是在涂有大约0.5mm厚的抗氧化材料(液相生成温度大约800℃)的圆形管表面的一半卷缠上纤维板(3mm)。剩下的一半涂上成形耐火涂料(3mm)。该管表面的一部分涂上大约1mm厚的赤铁矿(Fe2O3)泥浆。根据该试样在1400℃下持续进行6小时氧化试验后的外观可知,纤维板在试验后发生了熔融,并消失,一部分出现氧化,而出现耐火涂料层虽然会发生反应,但能保存涂料层的完整,对氧化铁具有耐久性。

3.4 成形耐火涂料的粘结性能

  为调查成形耐火涂料层和母材料的粘结性,因此将2块高铝石墨质母材(30%C-55%Al2O3-15%SiO2 , 20×20×40mm)以20mm角部为粘结面用成形耐火涂料泥浆粘结起来。粘结部的厚度为1mm。在规定的温度下进行热处理后,采用三点弯曲法测定强度。结果表明,在110℃干燥后的抗折强度为1.5 MPa,搬运时不会发生剥落,具有很高的粘结强度。由于隔热层内部发生了断裂,因此可以说粘结界面的强度会更高。特别是在1400℃下进行3小时热处理后的试料,其抗折强度25MPa。由于粘结层内部同样发生了断裂,因此可以说明即使在再使用时出现反复的加热冷却,也难以发生从粘结界面剥落的现象。

4 耐火涂料层的涂敷作业

  成形耐火涂料处理一次就能确保3~5mm厚的涂料薄膜,而且平均每根浸入式水口处理时间大约2分钟就行了。采用以往的粘结剂进行纤维板的粘贴作业是手工操作,因此作业差、生产率也不高,而成形耐火涂料不仅性能高,而且制造简便,因此正逐渐取代纤维板。

5 结束语

    虽然陶瓷纤维具有良好的隔热性能,但对环境和人体会产生不利的影响。另外,卷缠在高铝石墨水口的陶瓷纤维在使用过程中会出现隔热性和抗氧化性下降的问题。为解决上述问题,开发了不含纤维的连铸水口,其特征是不仅有利于人体和环境,而且在高温下的隔热性能比纤维板的好,同时,不会降低水口的抗氧化性能。尤其是,它具有施工时间短,生产效率高的优点。目前,以被几个厂家采用,获得好评,有逐渐被扩大使用的趋势。

 

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