CSP辊底式加热炉是薄板坯连铸机与连轧机之间的连接设备, 其工作性能的好坏将直接影响到整个生产线的正常运行。水冷炉辊担负着炉内板坯的支撑与行进驱动任务, 工作环境最为恶劣, 长时间处于温度高达1100~1270℃的区域, 炉内气氛复杂, 长期24 h连续重负荷运转, 因而, 炉辊通过外壁布置的四道耐热金属辊环起到支撑与驱动板坯的作用, 并在外壁辊环之间铺设有耐火隔热保护层, 起到保护炉辊、降低水冷热损失、延长使用寿命的作用。根据工艺要求与生产节奏, 炉辊需不断改变转速的大小和旋转方向, 炉辊耐火浇注层不仅受到旋转离心力、烟气冲刷的作用, 同时, 还受到板坯快速行进中与辊环之间频繁碰撞与摩擦而产生的机械冲击力, 因此在实际生产过程中, 炉辊耐火浇注层往往容易开裂、脱落而影响炉辊使用寿命和隔热性能, 不仅增加了生产消耗成本和能源消耗, 频繁的换辊还严重影响了正常的生产节奏。目前广泛使用的CSP炉辊重质浇注料虽然强度高、抗机械振动能力和抗烟气冲刷能力较强, 但是容重大、导热系数较高、隔热性能较差;而常规轻质浇注料虽然隔热性能优良, 但由于强度较低、抗机械振动能力较差难以直接应用于炉辊。本工作从提高炉辊隔热性能和使用寿命的角度, 研制了一种轻质隔热耐火浇注料, 并应用于CSP水冷炉辊隔热防护, 取得了良好的实际应用效果。
CSP炉辊长期在高温下重负荷运转, 对炉辊用隔热耐火材料的使用性能要求很高:
(1) 由于长时间处于温度高达1100~1270℃的辊底式加热炉内, 炉辊隔热保护层材料必须具有一定的耐火度;
(2) 炉内各段的O2和CO含量波动范围较大, 而还原性气氛会导致无机纤维在相对较低的温度下结晶粉化, 从而降低了无机纤维材料的最高使用温度, 且炉子入口段水蒸气的含量较高, 气氛复杂, 高温水蒸气对耐材侵蚀严重, 因此, 材料必须具有一定的抗高温化学侵蚀和抗烟气冲刷的能力;
(3) 炉辊内部通冷却水, 内外温差很大, 材料不仅必须具有较小的导热系数, 减少冷却水带走的热损耗, 具备良好的隔热性能, 还必须具有良好的热震稳定性能;
(4) 炉辊旋转过程中隔热耐火浇注料不仅受到旋转离心力的作用, 还受到板坯快速行进中与辊环之间频繁碰撞与摩擦而产生的机械冲击力, 因此, 材料必须具有一定的抗机械振动能力;
(5) 炉辊通过电机的驱动进行旋转, 隔热耐火浇注料比重过大会增加炉辊的重量和转动的动力消耗, 且容易压坏轴承, 严重影响炉辊轴承的使用寿命, 因此, 在满足其他使用性能要求的前提下, 应当尽量减轻材料的比重。
2.1 原材料选择和配方设计
通过选用具有多孔结构的轻质莫来石骨料、氧化铝空心球和导热系数较小的含锆高铝耐火纤维, 达到提高炉辊保温性能, 减少冷却水带走的热损失, 同时降低体积密度, 减少炉辊的重量与转动的动力消耗的目的;通过0.1~1 mm的焦宝石的加入, 弥补了小于1 mm轻质骨料性能劣化的不足, 并通过焦宝石优良的热震稳定性与高温性能, 提高了浇注料的综合使用性能;通过使用水泥、二氧化硅和-Al2O3微粉作为复合结合剂, 引入水合结合和凝聚结合两种凝结硬化机理, 提高材料的低、中和高温强度;通过加入少量锂辉石粉的烧结促进作用, 改善浇注料使用条件下的烧结状况, 促进炉辊浇注料隔热衬使用条件下高温陶瓷结合相的形成, 提高隔热衬的抗破损能力;通过添加含锆高铝耐火纤维, 利用其在基体中的拉拔作用所产生的增强、增韧效应, 提高炉辊浇注料抗机械振动能力和抗冲击韧性;通过添加蓝晶石粉作为膨胀剂, 利用蓝晶石高温下不可逆分解为莫来石和游离的Si O2而产生体积膨胀, 抵消浇注料高温下体积收缩, 防止浇注料与金属辊身之间热膨胀不匹配造成的浇注料层开裂和脱落;通过减水剂、有机消泡剂和硅烷偶联剂等外加剂的使用, 提高了浇注料的施工流动性, 降低了浇注料的加水量, 改善了炉辊浇注隔热衬施工质量与综合性能。
通过实验室配方设计和优化, 最终确定了优化配方, 具体如表1所示。
表1 试验配方
2.2 性能检测
2.2.1 物理性能
按优化配方称料, 混合均匀后加水搅拌、浇注成型为40mm×40 mm×160 mm试样, 常温自然养护24小时, 脱模后于110℃烘干24 h, 部分试样继续在1100和1300℃热处理3 h, 然后按相关标准检测不同温度处理后试样的体积密度、抗折和抗压强度、导热系数等物理性能, 具体数据如表2所示。相对常规炉辊重质浇注料 (体积密度2.2g·cm-3, 导热系数0.738 W· (m·K) -1) 而言, 体积密度降低25.8%, 具有更轻的容重, 导热系数降低约57%, 具有更加优良的隔热效果。同时, 研制的轻质隔热浇注料具有较高的低、中、高温强度, 随着温度的升高, 浇注料的力学性能比较稳定, 没有发生大的波动。可见通过配方中多种外加剂的合理设计, 大幅提高了轻质浇注料的抗折、抗压强度和抗机械振动能力, 浇注料常温抗压强度达到24.5 MPa, 远高于普通轻质浇注料的力学性能, 不仅满足了脱模及搬运要求, 还完全满足了炉辊300℃烘烤完毕直接入炉使用的要求, 经各温度处理后线变化率较小, 表明有较好的体积稳定性。
表2 浇注料的物理性能
2.2.2 微观结构
将1100℃热处理试样分别经过切割、镶嵌、打磨和抛光处理后, 制成光片使用岩相分析显微镜对其微观结构、气孔分布状况、骨料与基质结合状况等进行了观察。大部分骨料颗粒与基质结合比较紧密, 少量骨料与基质之间存在裂隙, 氧化铝空心球在浇注料中均匀分布, 试样中有些大小不等的气孔, 耐火纤维在基质中分散比较均匀, 未发现耐火纤维与基质反应的现象, 有效的起到了纤维增强和增韧的效应。
采用研制的轻质隔热耐火浇注料在某厂CSP加热炉炉辊上进行了工业性试验。对现场拆卸回来的炉辊进行耐材的清理、除锈后, 进行隔热衬的浇注, 经脱模、养护和300℃烘烤后上线使用。由现场浇注施工的跟踪记录可知, 研制的CSP炉辊用隔热耐火浇注料满足现场浇注施工要求, 浇注成型的炉辊隔热衬常温强度高, 结构整体性好, 与炉辊金属部件结合紧密。在炉辊运行过程中通过定期打开下部渣斗的方式进行观察发现, 在入炉运行一周内, 炉辊隔热层使用情况良好, 表面没有发现细小裂纹, 也未发现浇注料入炉崩裂的现象, 具有良好的抗爆裂性能;运行6个月时, 浇注层仅存在少量环状裂纹, 未发生隔热衬开裂脱落的现象, 具有良好的抗破损能力, 满足了炉辊隔热材料对抗高温化学侵蚀、抗烟气冲刷和抗机械振动性能的需求。相对常规重质浇注料炉辊而言, 研制轻质耐火浇注料炉辊隔热衬使用寿命由平均8个月延长至15个月以上, 水冷热损失降低约32%, 消除了单个部件损坏引起的下线修复, 达到了延长炉辊使用寿命和节能环保的目的, 具有良好的经济和社会效益。
(1) 研制的轻质隔热耐火浇注料强度大、容重轻、隔热性能优良, 能够满足CSP加热炉炉辊隔热衬对抗高温化学侵蚀、抗烟气冲刷和抗机械振动性能的需求;
(2) 研制的浇注料成功应用于CSP水冷炉辊, 解决了辊身耐材短期内脱落破损的难题, 相对于常规炉辊重质浇注料而言, 隔热衬使用寿命由平均8个月延长至15个月以上, 水冷热损失降低约32%。