Al₂O₃-C耐火材料因其优异的抗热震性和抗侵蚀性,广泛应用于滑动水口和连铸3大件。传统高碳Al₂O₃-C材料存在钢水增碳和氧化生成温室气体CO₂,材料结构疏松致使性能下降等问题,对洁净钢冶炼、环境以及材料使用寿命有不利影响,因此Al₂O₃-C材料迫切向低碳化发展。然而,Al₂O₃-C材料低碳化后其抗热震性和抗侵蚀性等关键性能难以满足使用要求,而优化碳源和添加剂是提升低碳Al₂O₃-C材料性能的关键。本文综述了低碳Al₂O₃-C材料中不同碳源和添加剂对Al₂O₃-C材料组成、结构和性能影响,并展望了生物质炭作为绿色可再生、高反应活性碳源的应用潜力,期望为低碳Al₂O₃-C材料的绿色制备与性能提升提供新思路。

中间包塞棒作为连铸工艺中的关键功能耐火材料,其性能直接影响连铸生产的连续性、钢液洁净度及最终产品质量。传统Al₂O₃-C质塞棒在浇铸钙处理钢、高锰钢及高氧钢时面临化学侵蚀、碳氧化及高温强度不足等技术瓶颈。本文分析了MgO-C耐火材料作为替代方案的性能优势,重点探讨其抗钢液侵蚀机制,其对钢液洁净度及抗热震性能的影响。研究表明,MgO-C材料因MgO的高熔点及与钢液组分的低反应性,可抑制低熔点相的形成;其表面形成的致密MgO反应层可有效阻隔钢液渗透;石墨组分赋予材料优异的抗热震性和高温结构稳定性。此外,MgO-C材料通过吸附Al₂O₃、SiO₂等夹杂物及抑制增碳行为,有助于提升钢液洁净度。然而,无碳化需求与高性能协同、长尺寸塞棒结构的可靠性及成本控制仍是其工业化应用的挑战。未来需通过多尺度模拟、复合设计与工艺优化,推动MgO-C塞棒材料在高效连铸中的广泛应用。

以低反应性CaO-Al₂O₃-Li₂O-B₂O₃-CaF₂保护渣基础渣系为对象,借助热丝法熔化析晶性能测定仪、扫描电镜、X射线衍射分析仪等设备,研究了以B₂O₃替代CaF₂对熔渣析晶温度、临界冷速、结晶孕育时间、结晶物相等性能的影响,并进行了结晶动力学分析。结果表明,采用B₂O₃替代CaF₂可有效降低熔渣析晶趋势,当w(B₂O₃)/w(CaF₂)从0.44增加到2.25时,临界冷却速率有所升高。当w(B₂O₃)/w(CaF₂)为2.25时,临界冷却速率达到12 ℃/s,结晶性能最弱。随着B₂O₃对CaF₂替代量的提高,结晶孕育时间呈先增长后缩短的趋势,熔渣在冷却过程中最初形成的晶相由CaAl₂O₄变为CaAl₄O₇。充分析晶后物相的变化规律为CaAl₂O₄+CaF₂→CaAl₄O₇+CaF₂→CaAl₄O₇+CaF₂+Ca₅B₃O₉F。动力学解析表明,当w(B₂O₃)/w(CaF₂)<1.6时,随着温度降低,晶体由三维生长转变为二维生长,转变温度为1 100 ℃。当w(B₂O₃)/w(CaF₂)≥1.6时,渣中析出晶体始终为三维生长。而且,随着B₂O₃对CaF₂替代量的提高,Ca₅B₃O₉F的析出促进了晶体的三维生长。w(B₂O₃)/w(CaF₂)为0.625~1时,熔渣析晶性能较弱,且结晶物相种类较少,更有利于实现对结晶性能的调控。

为提升钢包渣线镁碳砖的综合性能,本研究在传统配方基础上创新引入轻烧硼镁矿粉制备试样,系统研究了其对镁碳砖物理性能、高温抗折强度、热震稳定性及抗渣侵蚀性的影响。结果表明,相较于单一添加轻烧硼镁矿粉,复合添加轻烧硼镁矿粉与金属铝粉的试样,在高温力学性能、抗渣性及抗热震性方面均更优。机理分析表明,复合添加剂的协同作用源于两种机制:Al粉在中低温阶段经Al₄C₃纤维过渡相,进而氧化为Al₂O₃,并最终形成尖晶石,该相变伴随的体积膨胀与固相沉积能有效堵塞气孔,从而增强中高温强度与抗渣性;适量轻烧硼镁矿粉则在高温下生成弥散分布的硼酸镁液相,不仅促进烧结致密化、缓解热应力,还通过锚钉效应强化基质结合,显著提升高温性能与热震稳定性。

以高铝矾土熟料为主要原料,鳞片石墨为碳源,金属硅和碳化硅为添加剂,酚醛树脂作为结合剂,加入不同比例活性氧化铝微粉制成Al₂O₃-C材料。按相关标准测定造粒料的粒度分布、堆积密度、流动性,以及Al₂O₃-C材料的常温抗折强度、显气孔率、体积密度、加热永久线变化、高温抗折强度、热膨胀性、抗热震性。研究了活性氧化铝微粉对以高铝矾土熟料为主要原料、石墨质量分数为23%、连铸3大件用Al₂O₃-C耐火材料性能的影响。结果发现:随着活性氧化铝微粉加入量的增加Al₂O₃-C造粒料的造粒效果和流动性先变好后变差。Al₂O₃-C耐火材料中引入活性氧化铝微粉可以降低试样的显气孔率,提高试样的体积密度、常温抗折强度、高温抗折强度。经1 100 ℃ 和1 600 ℃热处理,试样皆出现不同程度的收缩,试样的线收缩率随着活性氧化铝微粉加入量的增加而逐渐增大。随着活性氧化铝微粉加入量的增加,以高铝矾土熟料为主要原料的Al₂O₃-C耐火材料的热膨胀系数逐渐增加,抗热震性逐渐变差。

尖晶石碳材料兼具优良的抗热震性和抗钢液侵蚀性能,常应用于连铸功能耐火材料。为获取镁铝尖晶石类型对其常规性能和抗侵蚀性能的影响及其作用机制,以电熔尖晶石、烧结尖晶石、石墨、铝硅合金作为主要原料,按照配比,经850 ℃埋碳保护热处理,获得2种尖晶石碳材料,进行常规物理性能检测与抗钢液侵蚀试验,结果表明:在较高温度下(1 400 ℃以上),铝硅合金以蒸气的形式与CO反应形成Al₂O₃和SiC纤维,增强了基质的结合力,在钢液侵蚀工况条件下部分Si形成了颗粒形态的SiC。电熔尖晶石致密度高,可以通过物理阻隔熔渣的渗入,侵蚀以原料边界的化学溶解为主。而烧结尖晶石致密度较电熔尖晶石低,抗熔渣渗透能力较差,然而其活性较电熔尖晶石高,固溶渣中的MnO、FeO能力更强,因而抗玻璃相溶解能力更强,因此2种尖晶石碳材料均表现出了优异的抗侵蚀性能。

随着低碳钢和超低碳钢的冶炼需求的提升,连铸用低碳尖晶石-碳耐火材料的抗渣侵蚀性能和抗热震性能面临着更高的要求。本文研究了纳米碳/镁铝尖晶石复合粉(C/MgAl₂O₄)添加量对塞棒用低碳尖晶石-碳(MgAl₂O₄-C)耐火材料性能的影响。结果表明:埋碳烧结得到的复合粉主要呈形状不规则且表面粗糙的颗粒,其中纳米碳分布于MgAl₂O₄晶粒间和颗粒表面,形成独特的团簇结构。当复合粉添加量(质量分数)为6.3%(C/MA-2试样)时性能最优,相比于未添加复合粉的试样(C/MA-0),C/MA-2试样的常温抗折强度、常温耐压强度和高温抗折强度分别提高了15.4%、19.6%和45%。同时,C/MA-2试样表现出最佳的抗热震性能,其热震后残余强度保持率比C/MA-0提高了11.9%。在抗渣侵蚀方面,C/MA-2侵蚀深度最小,比C/MA-0试样减少了19.6%,抗侵蚀性能最好。

在连铸过程中,塞棒作为控制中间包钢水流入结晶器的关键部件,其性能直接影响中包和结晶器钢水液位的稳定性以及中包钢水流量的控制。尖晶石-碳质耐火材料因其优异的化学稳定性和抗钢水侵蚀性,被广泛应用于塞棒棒头中。然而,某钢厂浇铸部分钢种钢水氧含量过高,塞棒棒头出现了严重的侵蚀现象,甚至影响了正常的流量控制。为了改善这一情况,通过对使用后塞棒棒头的分析,发现钢中的氧含量、钙含量以及塞棒头的致密程度是影响侵蚀的关键因素。基于这些发现,对塞棒棒头中镁铝尖晶石、鳞片石墨和SiC含量进行了优化研究,以提高其机械性能、热震抗性、抗氧化性和抗侵蚀能力。其中样品A3相较于对照样品A0,保证抗热震性前提下,高温强度提高了2.9 MPa(约30%),抗氧化性提高了约35%。

保护渣润湿特性是影响低密度钢铸坯表面质量的重要因素。利用高温接触角测量仪结合界面结构表征,研究了w(CaO+BaO)/w(Al₂O₃)及B₂O₃替代SiO₂对CaO-Al₂O₃基保护渣与低密度钢间润湿特性的影响。结果表明,随着w(CaO+BaO)/w(Al₂O₃)由0.87增大至1.59以及B₂O₃逐渐替代SiO₂时,接触角开始快速下降的初始温度分别从1 480 ℃降低至1 330、1 170 ℃以及从1 300 ℃先降低至1 170 ℃,随后升高至1 180 ℃。接触角及黏附功的演变行为与该温度变化相类似。随着w(CaO+BaO)/w(Al₂O₃)增加,钢-渣界面处的元素扩散层厚度由1 μm增大至5 μm。随着B₂O₃替代SiO₂,界面处元素扩散层厚度由9 μm先减小至5 μm,随后增大至15 μm。Mn由钢基体向界面扩散传质,其含量逐渐降低,Al由钢基体向界面扩散传质,由于界面处渣相中Al含量高,其含量呈现增大趋势,Si含量变化不明显。基于此,w(CaO+BaO)/w(Al₂O₃)控制在1.59左右,B₂O₃和SiO₂质量分数匀控制在5%,有利于维持保护渣的低反应性及改善其与低密度钢间的润湿特性。

为减少连铸中间包塞棒使用过程中的断裂与异常侵蚀现象,提高连铸生产的安全性与稳定性,从内部结构、化学成分、物相组成、常温和高温物理性能方面对2种常用板坯中间包塞棒进行了对比分析。结果表明:HN-1塞棒采用磷酸盐结合的刚玉-莫来石防粘结涂料、结合紧密的防氧化涂料以及MgAl₂O₄-C棒头材质,为塞棒提供了优异的抗氧化、抗侵蚀性能,而渣线采用的低ZrO₂的Al₂O₃-C材质降低了渣线的抗侵蚀性能,引起使用过程渣线的断裂;HY-1塞棒渣线采用Al₂O₃-C复合MgO-C结构为塞棒渣线提供良好的抗侵蚀性能,而防氧化涂料的成分设计及塞棒基体的抗氧化性不足导致塞棒棒身内部均匀的氧化。通过HN-1塞棒渣线材质的优化及HY-1塞棒釉料成分和基体抗氧化性的调整后,低碳钢中间包连浇炉数由22炉提高达到27~32炉,使连铸生产的安全性与稳定性得到了保障。

针对70钢连铸过程中存在的中心碳偏析问题,提出了一种基于遗传算法引导的蚁群算法。通过遗传算法预生成初始信息素分布,结合引入了遗传算法的动态混合更新机制,有效解决了传统蚁群算法在多目标优化中的早熟收敛问题,在迭代中后期,继续发挥蚁群算法强大的全局搜索能力,相较于传统蚁群算法收敛速度提升53.13%。本文建立凝固传热耦合模型,模型输出温度梯度、固相率等关键参数,为算法提供目标函数计算依据,形成模型预测、算法优化的闭环控制框架。工业应用表明,优化后的二冷工艺在2.2 m/min拉速下使铸坯中心偏析指数降低5.8%,在2.4 m/min拉速下偏析指数降低5.38%的同时总水量减少4.63%,实现了铸坯质量与生产成本的双重优化。

为了优化GCr15轴承钢的夹杂物控制水平,探究侧孔不对称型浸入式水口对连铸大方坯内夹杂物空间分布的影响,本文对连铸大方坯进行现场取样分析,建立了同时考虑连铸全流程三维非稳态流动、传热、凝固及夹杂物运动耦合和凝固前沿夹杂物捕获的数值模型,实现不同时刻连铸坯内残余夹杂物空间位置的预测。连铸过程中,夹杂物粒径由1 μm变化至50 μm时,其上浮至渣-钢界面的数量占比由1.9%增加至17.9%。连铸坯内的残余夹杂物呈现非对称分布,夹杂物易聚集在铸坯表层皮下7.8～10.5 mm处。粒径小于10 μm的夹杂物更容易随钢液运动至液相穴深处,而粒径大于10μm的夹杂物更倾向聚集在铸坯内弧侧1/4～1/3处。

针对连铸生产过程中质量监控滞后与人工判定效率低的问题,构建了基于多源数据融合的铸坯在线质量监控与判定系统。通过设计“数据采集-规则引擎-智能判定”3层架构,开发了包含707个工艺参数的实时采集模块,覆盖结晶器振动、二冷配水等关键工序。创新性地提出可动态配置的3层冶金质量规则库,构建铸坯判定的核心规则引擎,支持基于SPC的工艺参数实时监控与异常预警,结合声光报警与微信推送实现多层级协同响应。针对铸坯缺陷溯源难题,建立了结晶器液位波动、拉速波动、塞棒动作的三维耦合判定模型,通过公式化表征工艺参数波动量与质量缺陷的映射关系。系统在唐山某钢厂应用表明:通过冶金规则库的动态优化与工艺参数闭环反馈机制,铸坯内部缺陷判定准确率从25%提升至85.6%,综合判定准确率达98.5%,减少人工复判工作量75%以上。该研究为连铸工艺数字化管控提供了“规则配置-过程监控-质量溯源”的全流程解决方案,有效解决了传统专家系统知识更新滞后与数据驱动模型可解释性不足的行业痛点。

对某钢厂所生产的汽车外板IF钢A、B两个炉次31 m长的非稳态交接坯中的显微夹杂物和大型夹杂物进行了统计分析。5 μm以上显微夹杂物分析结果表明,在B炉次开浇前1 m和开浇后13 m,夹杂物数量密度显著上升并保持较高水平。通过大样电解法提取的交接坯中大于30 μm典型大型夹杂物主要有约250 μm的块状Al₂O₃夹杂物,约600 μm的不规则块状保护渣夹杂物,尺寸一般为50~200 μm的Al₂O₃+SiO₂夹杂物,尺寸为30~100 μm的球状钙铝酸盐夹杂物。在B炉次开浇前3 m和开浇后14 m,大型夹杂物含量显著上升并保持较高水平,因此钢水洁净度严重恶化的交接坯长度约为17 m。

高拉速薄板坯连铸连轧产线以其短流程、低能耗、高产量的特点快速发展,以生产低碳低硅钢、耐候钢、汽车钢、中碳钢、高碳钢等系列钢种为主,高拉速薄板坯连铸以其优异的结晶器传热表现快速形成足够厚的坯壳实现高拉速,窄面铜板的特殊形状设计满足了无足辊支撑的理念,但是铸坯窄面的鼓肚量加剧了边部纵向开裂及轧制过程中的角部折叠问题,通过开发窄面弧角结晶器铜板工艺,一方面本质化的改善了初生坯壳角部在结晶器内凝固过程的温度场,另一方面弱化了角部凸出在轧制过程中的应力折叠,从根本上彻底解决边部纵向开裂及角部轧制折叠问题。本文通过开发应用结晶器窄面弧角铜板,从源头改善结晶器内铸坯角部二维传热过强的问题,使结晶器内角部温度平均提高25.2 ℃,铸坯弧角的形式也从源头上减轻了轧制过程中带钢边部黑线的产品质量问题。

针对AK-B3球磨钢探伤合格率低的问题,通过OM/SEM、金属原位分析仪等手段,对探伤不合位置显微组织、夹杂物、析出物等进行检测分析,对铸坯化学元素偏析进行了检测。结果表明,圆钢探伤不合处存在沿轧制方向的带状裂纹、微裂纹和微孔,裂纹侧面断口呈现解理断裂,裂纹附近存在MnS、TiN夹杂物,连铸坯中Mn、P、S元素存在明显偏析。以上是造成探伤合格率低的主要原因。通过优化冶炼、连铸工艺,提高钢水的洁净度和铸坯内部质量;优化铸坯缓冷和加热炉加热工艺减少热应力,同时增大连铸坯轧制压下量。工艺优化后,探伤合格率由85%提高到94%以上。

由于镀锡板多为窄断面,在生产过程中采用高拉速连铸。在高拉速生产镀锡板中线状缺陷问题突出,导致降级率高、生产成本高。分析镀锡板线状缺陷试样表明:带有氧化质点的“FeO类缺陷”是线状缺陷的主要成因。由于在高拉速条件下,钢液的热流密度高于临界值,导致在板坯上形成裂纹,经轧制后逐渐扩大为FeO类线状缺陷。通过将保护渣中Na₂O质量分数降低至1.47%,Li₂O质量分数上升至1.7%等措施,并结合FC结晶器对表面流速及内部流场的调控作用,“FeO类缺陷”发生率大幅度降低。