易切削鋼用高性能整體塞棒的研制與應(yīng)用

周永濤，鄢鳳明，徐文相，郭江華，溫愛琳

（山東中齊耐火材料集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心，山東 青島266043）

易切削鋼用高性能整體塞棒的研制與應(yīng)用

周永濤，鄢鳳明，徐文相，郭江華，溫愛琳

（山東中齊耐火材料集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心，山東 青島266043）

易切削鋼對塞棒的損毀除高溫融熔鋼水的沖刷外，還有［Mn］、［O］等物質(zhì)對棒頭材質(zhì)的侵蝕。以電熔鎂砂、鱗片石墨、氮化物等為主要原料，添加復(fù)合高溫抗氧化劑，采用分階段保護(hù)的方式防止碳的氧化等，研制的塞棒耐材具有優(yōu)良的高溫抗氧化性能，應(yīng)用表明，高性能整體塞棒澆注12L14易切削鋼可連澆6爐，最長澆注時間達(dá)6.5 h。

整體塞棒；易切削鋼；高溫抗氧化性；電熔鎂砂

1 前言

易切削鋼是機(jī)械工業(yè)發(fā)展中應(yīng)用日趨廣泛的節(jié)能材料，是我國轎車用鋼國產(chǎn)化急需解決的不易產(chǎn)生的特鋼品種之一，目前國內(nèi)僅少數(shù)幾家鋼廠能少量生產(chǎn)，產(chǎn)量、質(zhì)量都遠(yuǎn)不能滿足國內(nèi)市場需求。主要原因是易切削鋼是世界三大難以連鑄的鋼種之一，難點(diǎn)在于：一是易切削鋼的高氧含量、高硫含量大大降低了鋼水的表面張力，使鋼渣分離困難，導(dǎo)致鋼渣混卷，形成大量表面及皮下缺陷甚至漏鋼；二是易切削鋼中錳、氧、硫含量高，且澆鋼溫度高，高溫下會與耐火材料中的某些成分發(fā)生理化反應(yīng)，使耐火材料侵蝕，普通耐材難以滿足要求［1］。

普通整體塞棒只能使用2～3 h。由于連鑄時，長水口、外掛浸入式水口可隨時更換，唯獨(dú)中包水口、整體塞棒等不能更換，隨著中間包內(nèi)襯使用壽命的提高，目前整體塞棒、中包水口的使用壽命已經(jīng)成為嚴(yán)重制約鋼廠連澆爐數(shù)的主要因素。

2 研制過程及試驗(yàn)結(jié)果

2.1 易切削鋼用整體塞棒的侵蝕機(jī)理

對于易切鋼來說，鋼水對塞棒棒頭的損毀除了高溫融熔鋼水的沖刷外，還有鋼水中的［Mn］和［O］等物質(zhì)對棒頭材質(zhì)的侵蝕。棒頭材質(zhì)中的Al2O3、SiO2等易與鋼水中的［Mn］反應(yīng)，生成低熔物，這些低熔物很容易熔融進(jìn)入鋼水中，被鋼水帶走，從而導(dǎo)致耐材熔損。具體反應(yīng)如下：

易切鋼中［O］含量一般較高，較高含量的氧對含碳耐火材料而言更是致命的威脅，它會加速石墨等碳素的氧化，使與之接觸的碳復(fù)合耐材中的重要成分－石墨消失殆盡。鱗片石墨氧化脫碳后將直接導(dǎo)致棒頭結(jié)構(gòu)疏松，抗侵蝕性能和抗沖刷性下降，從而加劇塞棒棒頭損毀。

2.2 易切削鋼用整體塞棒的研制思路

由上述分析可知，要提高易切削鋼用整體塞棒的使用壽命，就要切實(shí)提高制品的抗氧化性能、抗錳侵蝕性能和抗沖刷性能。由于含碳耐材所用原料中的鱗片石墨具有熱膨脹系數(shù)小，不易被熔渣潤濕等特點(diǎn)，確保鱗片石墨不被氧化，就可提高材質(zhì)的耐侵蝕性和抗熱震穩(wěn)定性能。提高含碳耐材抗氧化性能的措施有：

1）通過降低棒頭材質(zhì)中的石墨含量可以減輕棒頭的氧化，但作用有限，卻易使制品的抗熱震穩(wěn)定性能下降，使棒頭出現(xiàn)剝落、掉片等現(xiàn)象。

2）通過在棒頭材質(zhì)中添加合適的抗氧化劑、在制品表面涂覆防氧化涂料等措施來延緩碳素的氧化，提高棒頭的抗氧化性能。目前，這是應(yīng)用最廣泛的方法［2］。

含碳耐材易氧化，而且氧化溫度較低（如樹脂炭約600℃就已比較明顯［3］），而整體塞棒的使用溫度較高（1 550℃左右），因此，防止碳氧化的溫度范圍要求較寬。由于防氧化涂料是依靠生成低熔物保護(hù)層來防止碳氧化，且涂層厚度有限（約在0.5 mm以下），難以兼顧低、中、高溫，只能在部分溫度范圍起作用。目前常用的防氧化添加劑如硅粉、碳化硼等，在提高材質(zhì)抗氧化性能的同時，也降低了材質(zhì)的抗侵蝕性能，加入量受限，作用也有限；而鋁粉、氮化鋁等添加劑易導(dǎo)致制品出現(xiàn)裂紋等缺陷。

通過分析各種防氧化措施的優(yōu)缺點(diǎn)，決定提高棒頭材質(zhì)的高溫抗氧化性能，采用分階段保護(hù)的方式來阻止碳的氧化：即在烘烤及澆鑄初期時，主要依靠制品表面的防氧化涂料來阻止碳的氧化。將防氧化涂層的熔融溫度控制在650～1200℃，使制品中的碳在中、低溫度期間得到有效保護(hù)。在高溫澆鑄時，主要依靠制品材質(zhì)本身的高溫抗氧化性能來阻止碳的氧化，通過在棒頭材質(zhì)中加入復(fù)合高溫抗氧化劑，使材質(zhì)具備高溫防氧化性能。二者的無縫銜接，使耐材中的碳在使用時得到全程保護(hù)，從而提高材質(zhì)的抗氧化性能。

2.3 材質(zhì)配比設(shè)計(jì)和優(yōu)化

通過以上分析，選用了耐錳侵蝕性能更好的電熔鎂砂作為主要氧化物原料，配以鱗片石墨。提高材質(zhì)的抗熱震穩(wěn)定性能及抗侵蝕性能。在普遍采用的以氧化物+石墨為主要組成的鎂碳材質(zhì)中，增加了氮化物，該氮化物熱膨脹系數(shù)小、高溫強(qiáng)度高、抗熔渣侵蝕能力強(qiáng)，從而在根本上提高了材質(zhì)的抗熱震穩(wěn)定性能及抗侵蝕性能［2］。

通過試驗(yàn)，在棒頭材質(zhì)中加入了特制的復(fù)合高溫抗氧化劑，在高溫（1 500℃左右）條件下，材質(zhì)可生成致密的保護(hù)層，使石墨等碳素免于氧化，材質(zhì)的高溫抗氧化性能得以大幅提高，達(dá)到了提高材質(zhì)高溫抗氧化性能的目的。同時，當(dāng)材料中引入復(fù)合抗氧化劑后，材料的常溫、高溫強(qiáng)度均有較大程度的提高，強(qiáng)化了基質(zhì)，使得材料本身的結(jié)合力提高，進(jìn)而改善了材料的抗沖刷性。復(fù)合抗氧化劑的引入，使得材質(zhì)的氣孔率降低，減少了夾雜物進(jìn)入脫碳層內(nèi)的通道，增強(qiáng)了材質(zhì)的抗沖刷性能。

通過采用添加復(fù)合高溫抗氧化劑和分階段防止碳氧化的方式來提高制品的抗氧化性能，沒有降低制品中的石墨含量，避免了制品抗熱震穩(wěn)定性能的下降，而且添加的復(fù)合高溫抗氧化劑為高溫相，在使用時并不會明顯降低制品的抗侵蝕性能。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

優(yōu)選后材質(zhì)熟坯的性能指標(biāo)如下：體積密度2.77～2.78 g/cm3，顯氣孔率13.86%～14.26%，耐壓強(qiáng)度32.5～33.5 MPa，抗折強(qiáng)度5.56 MPa。

高溫條件下（1 500℃×1 h，氧化氣氛）與現(xiàn)有鎂碳材質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)對比，結(jié)果如下：現(xiàn)有材質(zhì)失重率6.7%，脫碳層厚度2.5 mm；新研制材質(zhì)失重率2.3%，脫碳層厚度0.5 mm。

從試樣的各項(xiàng)檢測結(jié)果看，研制的材質(zhì)具有優(yōu)良的高溫抗氧化性能。

2.5 生產(chǎn)工藝

將優(yōu)選后的材質(zhì)用于整體塞棒棒頭部位，以大型冷等靜壓機(jī)為成型設(shè)備，將棒身料與棒頭料直接復(fù)合，一次高壓壓制成型；采用隧道窯無氧化燒成工藝；用數(shù)控機(jī)床對整體塞棒尺寸進(jìn)行精確加工，并全部進(jìn)行X光探傷，以確保制品質(zhì)量。生產(chǎn)工藝流程如下：配料→混煉→干燥→復(fù)合成型→制品干燥→燒成→附屬加工→X光探傷→噴涂防氧化涂層→外觀檢查→包裝入庫。

3 應(yīng)用情況

將研制的易切削鋼用整體塞棒在國內(nèi)某鋼廠試用，澆注鋼種均為對耐材侵蝕性最強(qiáng)的硫磷鉛復(fù)合系易切削鋼12L14。試驗(yàn)塞棒連澆最高爐數(shù)為6爐（該鋼廠目前該鋼種的最高連澆爐數(shù)），最長澆注時間為6.5 h，所有使用的試驗(yàn)塞棒均控流良好，關(guān)閉效果好，停澆后無漏鋼、淌鋼等現(xiàn)象，從用后塞棒外觀看，棒頭形狀完好，侵蝕較輕。而原有整體塞棒在澆注普通鋼種時，能夠滿足使用要求，但澆鑄易切削鋼時因棒頭侵蝕較嚴(yán)重，只能連澆2、3爐，最高使用壽命為4爐，約4 h。研制的易切削鋼用整體塞棒使用效果較好，現(xiàn)已批量供貨。

由于易切削鋼具有高氧、高錳、高硫等特性，易切削鋼用高性能整體塞棒不僅適用于易切削鋼，在澆鑄高錳鋼、高氧鋼等強(qiáng)侵蝕性鋼種時也同樣具有很好的抗侵蝕性能和較高的使用壽命，目前，研制的高性能整體塞棒已經(jīng)廣泛應(yīng)用于這類鋼種，使用壽命均有大幅提高，現(xiàn)已有多家鋼廠使用。高性能整體塞棒適應(yīng)和推動了連續(xù)鑄鋼技術(shù)的發(fā)展，具有明顯的社會經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

4.1 在整體塞棒棒頭材質(zhì)中加入氮化物，利用該氮化物熱膨脹系數(shù)小、高溫強(qiáng)度高、抗熔渣侵蝕能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可以有效提高材質(zhì)的抗侵蝕性、抗沖刷性和抗熱震穩(wěn)定性。

4.2 在整體塞棒棒頭材質(zhì)中加入復(fù)合高溫抗氧化劑，使材質(zhì)具有高溫自我防氧化能力，采用分階段保護(hù)的方式來阻止碳的氧化，可以有效提高含碳耐材的抗氧化性能。

4.3 研制的易切削鋼用高性能整體塞棒，在澆注易切削鋼時的使用壽命由約3 h提高到6.5 h以上，提高了易切削鋼、高氧鋼及高錳鋼用整體塞棒的使用性能及使用壽命，適應(yīng)和推動了目前連鑄技術(shù)的發(fā)展，具有廣闊的市場前景和明顯的社會經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 王小紅，謝兵，馮仲渝，等.易切削鋼連鑄工藝開發(fā)［J］.西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，27（6）：88.

［2］ 李紅霞.耐火材料手冊［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

［3］ 王誠訓(xùn).MgO-C質(zhì)耐火材料［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1995.

Development and Application of Monolithic Stopper with High Property for Free-cutting Steel

ZHOU Yong-tao,YAN Feng-ming,XU Wen-xiang,GUO Jiang-hua,WEN Ai-lin
（The Technology Center of Shandong Zhongqi Refractory Group Co.,Ltd.,Qingdao 266043,China）

The damage of the stopper caused by free-cutting steel includes the erosion for the material by element Mn and O in the molten steel besides eroding.Taking fused magnesia,flake graphite and nitride as main raw materials,adding composite high temperature antioxidant and preventing the oxidation of carbon by stages protecting,the refractory for stopper with excellent high temperature oxidation resistance was developed.Applications showed that the monolithic stopper was used continuously for six heats in casting free-cutting steel 12L14 and the longest casting time was 6.5 hours.

monolithic stopper;free-cutting steel;high temperature oxidation resistance;fused magnesia

TQ175.7

A

1004-4620（2010）04-0047-02

2010-03-10

周永濤，男，1976年生，2000年畢業(yè)于武漢科技大學(xué)無機(jī)非金屬材料專業(yè)?，F(xiàn)為山東中齊耐火材料集團(tuán)有限公司技術(shù)中心工程師，從事耐火材料產(chǎn)品的研發(fā)工作。