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簾線鋼的現(xiàn)狀及面臨的問題
簾線鋼是采用專用的高碳鋼盤條，經(jīng)過多次拉拔后形成的單位直徑介于0.15～0.38mm的精細(xì)鋼絲，再經(jīng)過捻股形成的鋼絲產(chǎn)品。由簾線鋼制成的金屬網(wǎng)作為骨架，在輪胎膠體內(nèi)交叉和分層以支撐胎體的輪胎通常被稱為“鋼絲子午線輪胎”。子午線輪胎具有極其優(yōu)異的彈性和強(qiáng)度，可以承載汽車在長時(shí)間高速行駛中承受的極大壓力，而且子午線輪胎的耐磨性、耐熱穩(wěn)定性好，安全舒適。
生產(chǎn)簾線鋼時(shí)存在的最大問題是深拉或卷曲斷裂，在對(duì)斷絲斷裂面上出現(xiàn)的夾雜物成分進(jìn)行分析后得知，引起斷裂斷絲的夾雜物以硬質(zhì)Al2O3類夾雜物為主，而Al2O3的來源主要是從鋼水中結(jié)晶和耐火材料引入這兩種情況。氧化物夾雜主要是指Al2O3、SiO2、TiO2、MgO以及它們的復(fù)雜氧化物，其中，又以Al2O3最為常見且危害最大，往往成為簾線鋼中應(yīng)力集中的源頭。Al2O3夾雜物顆粒越大，對(duì)疲勞壽命的影響也越大，多角狀?yuàn)A雜物對(duì)疲勞壽命的影響大于球狀?yuàn)A雜物。簾線鋼冶煉中要求對(duì)鋼中夾雜物和偏析嚴(yán)格控制，較大顆粒夾雜物的存在，尤其是變形性較差的脆性夾雜物Al2O3及鋁酸鈣類等，是產(chǎn)生斷絲的主要原因。因此在簾線鋼冶煉中應(yīng)有針對(duì)性的設(shè)計(jì)和選擇合適的鋼包內(nèi)襯材料，避免引起鋼加工斷線，從而提高鋼種質(zhì)量。
鋼包用耐火材料的研究進(jìn)展
鋼包用耐火材料隨煉鋼技術(shù)與工藝的發(fā)展，以及對(duì)耐火材料資源的開發(fā)與利用而不斷變化與進(jìn)步。鋼包內(nèi)襯耐火材料所使用的材質(zhì)大致有10多種，由于各國當(dāng)時(shí)的冶煉技術(shù)及原材料供應(yīng)的不同，在同一時(shí)期鋼包內(nèi)襯的材質(zhì)也有所不同，但大體上可分為3個(gè)階段:鋁硅酸鹽磚時(shí)期，高鋁磚及堿性、中性磚襯時(shí)期，不定形包襯時(shí)期。從另一方面可以分為:定型耐火制品時(shí)期;不定形耐火制品時(shí)期。
§ 定型耐火制品時(shí)期
鎂質(zhì)耐火材料因其抗渣蝕能力強(qiáng)和對(duì)鋼液無污染的性能廣泛應(yīng)用于鋼鐵冶金工業(yè)，但其抗渣滲透性和抗熱震性能較差。為生產(chǎn)抗渣蝕性和抗熱沖擊兼?zhèn)涞母咝阅苣突鸩牧希瞥傻奶紡?fù)合耐火材料取得了滿意的效果。但含碳耐火材料中碳容易氧化，其優(yōu)勢受到削弱而導(dǎo)致材料損壞，另外碳的加入污染鋼水，不利于潔凈鋼的冶煉。
MgO-C耐火材料是20世紀(jì)70年代興起的一種材料，是以高溫?zé)Y(jié)鎂砂或電熔鎂砂和炭素材料為主要原料，用碳質(zhì)結(jié)合劑，經(jīng)配制、混練、成型、熱處理制成的不燒耐火材料。MgO-C耐火材料最早是于1970年日本九洲耐火材料公司渡邊明等人研究發(fā)明而成，在高功率和超高功率電爐的熱點(diǎn)部位及底吹轉(zhuǎn)爐的供氣嘴上開始實(shí)驗(yàn)，使超高功率電爐的爐襯壽命由老式堿性磚的2～3天提高到2～3周，從而促進(jìn)了電爐煉鋼生產(chǎn)率的顯著上升，并得到推廣應(yīng)用。1977年日本川崎鋼鐵公司引進(jìn)了Q-POB轉(zhuǎn)爐，其轉(zhuǎn)爐爐底及風(fēng)口選用樹脂結(jié)合MgO-C磚，取得巨大成功。在1978～1979年間，日本學(xué)者發(fā)表了多篇MgO-C耐火材料的研究報(bào)告。1979年以后，日本將MgO-C磚應(yīng)用到轉(zhuǎn)爐的各個(gè)部位，與以前的焦油浸漬燒成的鎂白云石磚相比，轉(zhuǎn)爐壽命提高13～16倍。與焦油或?yàn)r青結(jié)合的如鑄錠用塞頭磚、連鑄用滑板、水口磚、浸入式水口以及轉(zhuǎn)爐煉鋼初期的白云石磚相比，MgO-C磚利用了天然鱗片石墨難于被熔渣潤濕、熱導(dǎo)率高以及熱膨脹系數(shù)小等特性，大大改善了堿性耐火材料的耐剝落性能和抗?fàn)t渣侵蝕性能;而MgO-C磚本身是不燒制品，同燒成磚相比可節(jié)省80%左右的能源消耗，因而，這類耐火材料可以說是“劃時(shí)代”的耐火材料。
何平顯等人用感應(yīng)爐試驗(yàn)分析了鋼包渣線用3種碳含量不同的MgO-C磚(C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8.3%、15.5%和17.9%)，鋼包底用蠟石碳化硅磚(C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.71%)以及實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的MgO-Al2O3-SiC質(zhì)鋼包渣線澆注料(C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.07%)對(duì)IF鋼增碳的影響，并對(duì)其增碳的機(jī)理進(jìn)行了初步分析討論。試驗(yàn)結(jié)果表明:渣線MgO-C磚的碳含量越高，對(duì)IF鋼造成的增碳量越大;包底蠟石碳化硅磚對(duì)IF鋼水的增碳量達(dá)到渣線MgO-C磚的7.73倍;MgO-Al2O3-SiC質(zhì)澆注料也對(duì)IF鋼產(chǎn)生明顯的增碳效果，不宜用作冶煉超低碳鋼的鋼包渣線材料。
我國是從1976年開始研究MgO-C磚的，1986年后在全國各大鋼鐵公司全面推廣使用，使我國很多鋼鐵公司的轉(zhuǎn)爐爐襯的使用壽命迅速提高。寶鋼、武鋼等特大鋼鐵公司通過濺渣護(hù)爐技術(shù)，轉(zhuǎn)爐使用壽命達(dá)到萬爐以上。MgO-C磚在爐襯的使用實(shí)踐證明，MgO-C磚降低了耐火材料的消耗，改進(jìn)了爐襯的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，對(duì)冶金工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了積極的推動(dòng)作用。
Al2O3-MgO-C耐火材料是20世紀(jì)80年代末在我國開始研制，并于20世紀(jì)90年代在連鑄、電爐和爐外精煉鋼包中得到應(yīng)用推廣的新型耐火材料。鋁鎂碳磚中Al2O3主要原料為電熔白剛玉、板狀燒結(jié)剛玉、亞白剛玉、棕剛玉、不同等級(jí)的高鋁礬土熟料等。鋁鎂碳磚中MgO的引入方式為:(1)以高溫?zé)Y(jié)鎂砂或電熔鎂砂細(xì)粉的形式加入;(2)以富鎂尖晶石細(xì)粉形式加入;(3)以鎂砂和鎂鋁尖晶石不同的顆粒種類混合加入。Al2O3-MgO-C耐火材料主要是基于MgO-C和Al2O3-C耐火材料的性能特點(diǎn)而開發(fā)出來的。Al2O3-MgO-C耐火材料具有較好的化學(xué)和熱力學(xué)穩(wěn)定性，與MgO-C和Al2O3-C耐火材料相比，具有更高的熱震性和機(jī)械性能。Al2O3-MgO-C耐火材料目前主要用于連鑄、電爐和爐外精煉鋼包內(nèi)襯、包底以及出鋼槽等。
Al2O3-MgO-C耐火材料主要具有優(yōu)良的抗鋼液和熔渣侵蝕性、良好的耐高溫及抗結(jié)構(gòu)剝落性以及高溫下良好的殘余膨脹特性等優(yōu)點(diǎn)，而且因?yàn)榫哂辛己玫目篃嵴鹦?、高耐火度和?yōu)良的抗渣性、抗結(jié)構(gòu)剝落而作為鋼包工作襯材料長期使用。但Al2O3-MgO-C磚較高的熱導(dǎo)率不僅會(huì)引起鋼水在精煉過程中有一定程度的溫降，還常常引起包殼因過熱而變形。此外，作為含碳材料，在生產(chǎn)低碳鋼時(shí)，容易使鋼水增碳，因此，傳統(tǒng)的Al2O3-MgO-C磚不適合低碳鋼和超低碳鋼的生產(chǎn)。
§ 不定形耐火制品時(shí)期
近年來，耐火材料向低消耗、低污染的方向發(fā)展，澆注耐火材料因其生產(chǎn)工藝簡單、成本低和整體性好等優(yōu)點(diǎn)而得以迅速發(fā)展。日本學(xué)者研制出了氧化鎂-鋯英石耐火澆注料，并對(duì)其抗渣侵蝕機(jī)理進(jìn)行了探討，認(rèn)為鋯英石在高溫下離解成氧化鋯和SiO2玻璃。高黏性的SiO2玻璃填充于耐火材料組織的基質(zhì)部分，能夠防止渣的前期滲透。HldeoYaol等人也研究了氧化鎂-鋯英石耐火澆注料，認(rèn)為氧化鎂-鋯英石耐火澆注料的侵蝕機(jī)理為:鋯英石離解后作為一種軟化薄膜充填于基質(zhì)中，這種薄膜能抑制渣的滲透。但是，這種軟的基質(zhì)膜易受到侵蝕，使砂變松動(dòng)。如果能提高鋯英石基質(zhì)的抗侵蝕性，那么氧化鎂-鋯英石耐火澆注料的抗侵蝕性就會(huì)提高。因此，鋯英石成分均勻分布的氧化鎂-氧化鋯砂應(yīng)該會(huì)提高澆注料的抗侵蝕性。
針對(duì)簾線鋼冶煉鋼包用耐火材料，國內(nèi)學(xué)者選用了3種典型的鋼包含Al2O3耐材:鋁鎂質(zhì)澆注料、鋁尖晶石質(zhì)澆注料及Al2O3-MgO-C磚，以感應(yīng)爐試驗(yàn)分析了耐材中的Al2O3對(duì)簾線鋼造成的增鋁量。試驗(yàn)結(jié)果表明在沒有真空處理或線處理的情況下，3種試驗(yàn)的含Al2O3耐材都不對(duì)簾線鋼造成顯著的增鋁。
日本某公司使用了在鋁尖晶石澆注料基質(zhì)中添加氧化鎂制成的鋁鎂尖晶石澆注料，使用效果優(yōu)于不添加氧化鎂的澆注料。為了改善鋁尖晶石澆注料抗渣滲透性，適用于不同的冶煉條件，向澆注料中添加適量<1mm蠟石質(zhì)原料，在澆注料使用過程中蠟石成分中的SiO2在工作面附近形成黏稠的薄膜，抑制了渣的滲透。為了捕捉渣中滲入的SiO2成分，在材料中添加非水溶性礦物Ca3(PO4)2，有效地抑制了結(jié)構(gòu)剝落。
為了改善鋁尖晶石澆注料的抗剝落性，采用添加適量破碎的電熔剛玉粗大顆粒、鋯剛玉細(xì)粉或未穩(wěn)定的ZrO2等，在基質(zhì)中引入微觀缺陷，吸收熱應(yīng)力，提高澆注料的抗熱剝落性。
日本川崎鋼鐵公司水島廠對(duì)用后材料的橫斷面測定表明，開裂的發(fā)生平行于工作面，位于渣滲透層與無渣滲透層的界面之間。這些觀察說明由于渣滲透層與無渣滲透層的不同膨脹使內(nèi)應(yīng)力發(fā)生在界面處，并且這種累計(jì)性開裂表明此種剝落源于結(jié)構(gòu)剝落。耐火材料的內(nèi)應(yīng)力隨著彈性模量和熱膨脹系數(shù)的增大而增加，同時(shí)也隨著溫度的增高而增大，結(jié)構(gòu)剝落所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力可用渣滲透層和無渣滲透層之間的不同膨脹以及隨后的彈性系數(shù)和溫度變化來表示。因此通過減少渣滲透層和無渣滲透層之間的不同膨脹以及相應(yīng)的彈性模量和溫度變化，可減少應(yīng)力產(chǎn)生并抑制結(jié)構(gòu)剝落。另一方面，阻止渣滲透也是抑制結(jié)構(gòu)剝落的方法。為了改善鋁尖晶石澆注料的抗剝落性，采用添加適量電熔剛玉粗大顆粒、鋯剛玉細(xì)粉或未穩(wěn)定的ZrO2，在基質(zhì)中引入微觀缺陷，吸收熱應(yīng)力，提高澆注料的抗熱剝落性。賀智勇等人的研究認(rèn)為在剛玉尖晶石澆注料中添加3%氧化鋯可以大幅度提高熱震穩(wěn)定性，其機(jī)理為微裂紋增韌。森淳一郎等人指出，控制澆注料中CaO/SiO2比在2～10的范圍內(nèi)，MgO/CaO比在1～24范圍內(nèi)，大大降低鋼包內(nèi)襯的損毀速度，比原來的鋁尖晶石澆注料更少地發(fā)生開裂、剝落，提高了鋼包內(nèi)襯的耐用性。
簾線鋼冶煉鋼包對(duì)耐火材料的要求
簾線鋼中非金屬夾雜物的影響因素很多，包括煉鋼時(shí)間、耐火材料成分、熔渣成分、脫氧合金成分和澆注操作等。耐火材料是簾線鋼中非金屬夾雜物的外部重要來源之一，在煉鋼的整個(gè)過程中鋼液始終保持與爐襯耐火材料的接觸，兩者間始終伴隨著因溶解、滲透、侵蝕和沖刷等帶來的損毀。鋼液和熔渣對(duì)耐火材料侵蝕形成的產(chǎn)物會(huì)從耐火材料表面剝離，并以細(xì)微彌散狀態(tài)顆粒形式被卷入鋼液，其成分與原始耐火材料相比發(fā)生了較大的變化。大量文獻(xiàn)報(bào)道表明，煉鋼過程中耐火材料是鋼中大型夾雜物的重要來源之一，外來大型夾雜物中70%～75%來自耐火材料，其中鋼包內(nèi)襯耐火材料被鋼液侵蝕后進(jìn)入鋼液形成的夾雜物比例最高。因耐火材料帶入而形成的夾雜物組成可大致分為兩大類27]:一是耐火材料碎片直接被卷入到鋼液內(nèi)部，尚未來得及從鋼液中排除，它的組成和原來耐火材料組成基本相似;另一類耐火材料夾雜是耐火材料與鋼液或熔渣之間的反應(yīng)產(chǎn)物，它是在煉鋼澆鑄過程中形成的，或者是耐火材料被卷入后又成為后來鋼液在冷卻凝固時(shí)繼續(xù)脫氧析出的核心，這使它的成分變化相當(dāng)大，形成的夾雜物新相大部分與原耐火材料不同。
隨著簾線鋼等高品質(zhì)鋼冶煉技術(shù)的發(fā)展，鋼包用耐火材料的使用條件日趨苛刻，表現(xiàn)為鋼包用耐火材料的使用壽命大幅降低，噸鋼耐火材料的消耗明顯增加。另一方面，由于鋼種的變化和耐火材料的無碳化，近年來，一些鋼廠又存在著比較嚴(yán)重的鋼包粘渣現(xiàn)象。鋼包內(nèi)襯粘渣后給鋼廠正常的生產(chǎn)運(yùn)行帶來一系列的問題，如:鋼包超重，鋼水溢出鋼包，鋼包壽命降低，鋼水被污染，鋼包局部侵蝕嚴(yán)重，發(fā)生穿包事故等。
結(jié)論
對(duì)于鋼包用耐火材料的選擇，冶煉的鋼種不同，對(duì)耐火材料的要求也不同:如冶煉超低碳鋼、IF鋼、鋁鎮(zhèn)靜鋼宜采用高鋁尖晶石澆注料或高鋁磚，不宜采用含碳的鎂碳磚、鋁鎂碳磚和鎂鋁碳磚;冶煉含錳量和氧較高的鋼種，宜用抗侵蝕的鎂碳磚和鋁鎂碳磚，而不宜選用高鋁磚;對(duì)于澆注含Ti和Al的不銹鋼，宜用鋯英石磚;對(duì)于要求含鉻量極低的鋼種，不宜用鎂鉻質(zhì)磚;對(duì)于低P、低S鋼種以及要求夾雜少的特殊鋼種，宜用白云石質(zhì)類的堿性磚，不宜用黏土磚、葉臘石磚;在澆注沸騰鋼時(shí)，應(yīng)盡量避免選用含有石墨的磚種和澆注料，否則內(nèi)襯使用壽命較低。因此根據(jù)所冶煉的鋼種不同，應(yīng)選用不同材質(zhì)的耐火材料。
通過對(duì)鋼包用耐火材料的研究，得出簾線鋼冶煉鋼包用耐火材料下一步的研究重點(diǎn):
(1)在保證耐火材料使用壽命的前提下，進(jìn)一步降低Al2O3夾雜的出現(xiàn)，以適應(yīng)新的冶煉要求;
(2)尋求能替代的新材料;
(3)開發(fā)新的生產(chǎn)工藝，制備出具有特殊性能、能夠滿足新要求的耐火材料。
評(píng)論區(qū)
