碳化硅连铸机导辊性能：高温钢坯处理中的材料革命

碳化硅连铸机导辊性能：高温钢坯处理中的材料革命

引用

网易

1.

https://www.163.com/dy/article/JP5CAUCP0552Z33T.html

导读：在钢铁生产的核心环节——连铸过程中，导辊是关键部件之一。传统导辊材料常因高温、磨损等问题导致停机维修，严重制约生产效率。近年来，碳化硅（SiC）陶瓷凭借其卓越的性能优势，正在逐步取代传统材料，成为新一代导辊的首选。本文将从性能优势、制造工艺到工业实践，为您解析碳化硅导辊如何推动连铸技术升级。

碳化硅陶瓷导辊

碳化硅导辊的极限性能优势

1. 高温强度与抗热震性
   碳化硅在1400℃下的抗弯强度仍保持常温水平的80%（≥450 MPa），而高铬铸铁在1000℃时强度已衰减至30%以下。其低热膨胀系数（4.5×10⁻⁶/℃）与高导热率（120 W/m·K）的组合，可有效抵御钢坯骤冷骤热（ΔT>500℃/min）引发的热应力，实验表明，SiC导辊在2000次热循环后仍无裂纹产生。

2. 耐磨与抗熔蚀性能
   SiC的莫氏硬度达9.5，仅次于金刚石，其表面在高温钢坯摩擦下的磨损率仅为高铬铸铁的1/20。同时，SiC对氧化铁渣（FeO）和钢液（Fe-C合金）的化学惰性可避免熔蚀缺陷。例如，在板坯连铸中，SiC导辊工作寿命可达12个月，是金属导辊的3倍以上。

3. 抗蠕变与尺寸稳定性
   SiC在1200℃下的蠕变速率低至1×10⁻⁹ s⁻¹，几乎无高温变形，确保连铸坯的尺寸精度（厚度波动<±1 mm）。而金属导辊在连续工作48小时后，辊面直径可能膨胀0.5-1 mm，导致铸坯表面划伤。

碳化硅陶瓷性能参数

材料制备与结构设计创新

1. 烧结工艺突破

• 反应烧结碳化硅（RBSC）：通过硅熔体渗透碳化硅-碳素预制体，形成SiC-Si复合结构，致密度>98%，成本较传统无压烧结降低40%，适合制造大尺寸导辊（直径>500 mm）。
• 热等静压（HIP）强化：在2000℃、200 MPa氩气环境下处理，消除残余孔隙，使SiC导辊的韦布尔模数从10提升至20，抗热震阈值提高至ΔT=800℃。

1. 梯度结构设计

• 表层致密化处理：通过化学气相渗透（CVI）在导辊表面沉积纳米SiC层（厚度50 μm），硬度提升至35 GPa，同时保持基体的韧性。
• 多孔芯层结构：导辊内部设计孔隙率15%-20%的蜂窝状芯层，降低重量30%，并利用孔隙缓冲热应力。

1. 晶界工程优化
   添加Al₂O₃-Y₂O₃烧结助剂，形成YAG（Y₃Al₅O₁₂）晶界相，抑制高温下晶界滑移，使导辊在1350℃下的抗弯强度保持在300 MPa以上。

工业应用与效益分析

1. 板坯连铸案例
   某钢厂将精轧段导辊替换为SiC材质后，辊面磨损深度从每月1.2 mm降至0.05 mm，连铸坯表面合格率从92%提升至99.5%，年维护成本减少300万元。

2. 薄带连铸突破
   在双辊薄带连铸中，SiC导辊的刚性支撑使铸带厚度波动控制在±0.15 mm以内，成功生产出0.8 mm超薄不锈钢带，成品率提高25%。

3. 耐腐蚀场景验证
   在含Cl⁻冷却水（浓度500 ppm）的连铸环境中，SiC导辊运行6个月无点蚀，而金属导辊仅1个月即出现腐蚀坑，深度达0.3 mm。

挑战与未来技术方向

1. 成本与规模化瓶颈
   目前SiC导辊的单件成本是金属导辊的5-8倍，但通过流延成型+反应烧结工艺优化，预计未来3年成本可降低50%。

2. 连接与装配技术

• 金属-陶瓷复合轴设计：采用Ti过渡层钎焊（Ag-Cu-Ti钎料）实现SiC导辊与钢轴的可靠连接，剪切强度≥80 MPa。
• 预应力装配：通过温差装配法（ΔT=200℃）补偿SiC与金属的热膨胀差异，避免冷态应力集中。

1. 智能化与功能集成

• 嵌入式传感器：在导辊内部埋入光纤传感器，实时监测温度梯度与应力分布，预警异常工况。
• 自修复涂层：开发含B₄C的SiC基涂层，在1200℃氧化环境中生成B₂O₃玻璃相，自动填补表面微裂纹。

结语
碳化硅连铸机导辊凭借其“耐高温、零变形、超耐磨”三位一体的性能优势，正在改写钢铁连铸行业的游戏规则。随着材料成本下降与制造工艺成熟，SiC导辊有望从高端特种钢领域向普钢连铸渗透，推动连铸生产向高效、低耗、智能化方向跨越升级，助力“双碳”目标下的冶金工业绿色转型。