分离环

环状陶瓷质连接件

分离环是指水平连铸的中间罐水口与结晶器之间的环状陶瓷质连接件，是水平连铸机的关键部件之一。浇注圆断面铸坯时，环的外形和内径都是圆形的，内径与水口内径相当，厚约10mm;浇铸方坯时，外形是方的，内形方、圆均有。

简介

分离环是指水平连铸的中间罐水口与结晶器之间的环状陶瓷质连接件，是水平连铸机的关键部件之一。浇注圆断面铸坯时，环的外形和内径都是圆形的，内径与水口内径相当，厚约10mm;浇铸方坯时，外形是方的，内形方、圆均有。钢水凝固的起点是分离环与结晶器交接处，因而此处有“人工液面”之称。分离环与中间罐水口衔接的一侧的温度与中间罐预热温度相当，不超过1200℃;与水冷结晶器衔接的一侧只有50～70℃。开浇后随钢种和铸温的不同环的内孔壁温度为1480～1560℃，热应力较大。

水平连铸与传统的弧形连铸工艺相比，铸机结构简单，一次性投资少，并且钢水可以完全在封闭的系统内流动和凝固，很容易实现无氧浇注，提高铸坯质量。

钢水从中间包经钢水供给管、分离环导入水冷铜铸模结晶器中表面凝固后被拉出。水平连铸用的分离环是水平连铸机上的重要部件，必须具备如下特性:

(1)热传导性高，能把钢水的热量稳定地传导出来，以保证钢水生成硬外壳;

(2)良好的抗冲刷和抗侵蚀性;

(3)优良的抗热震性。由于水冷铜铸模与钢水的温差很大(1500℃左右)，分离环在刚开始作业时瞬间就处在高温状态下，所以分离环必须具备优良的抗热冲击能力;

(4)可加工性。分离环必须能高精度地加工成需要的形状，以防止钢水渗透。

近年来，美国、英国、德国、日本、俄罗斯等国家及我国已经对分离环材料进行了大量卓有成效的研究工作，在应用中也收到了一定的效果。以下分别对几种主要材质的分离环的研究和应用情况加以介绍。

Zr0₂分离环

Zr02具有一系列优异的高温性能。由于Zr02的相变特点及较高的热膨胀系数，使得Zr02抗热震性能很差。近年来，利用陶瓷增韧技术，科研人员开发出了MgO部分稳定的Zr02i材料(Mg-PSZ)，具有较高的抗热震性能。

有人采用化学共沉淀法合成Mg-PSZ微粉，然后采用机压成型与机械加工相结合的方法制造分离环。其工艺流程如下:

Mg-TZP微粉+结合剂→混合→成型→干燥→烧成→加工→成品

Zr02分离环的理化性能如下:体积密度5.51-5 . 64 g· cm-3，显气孔率0.3%一0.4%，常温耐压强

度>800 MPa，热震稳定性(1300℃，水冷)2次，Zr0296.5%，Mg0 3.0%，Siq<0.1%，Al2O3<0.3%，Zr02微量。通过对Zr02分离环的相组成和显微结构进行分析，结果表明:Zr02分离环由四方Zr02和单斜Zr02组成，并形成网状结构。其显微结构的特点是大团聚体中包裹着小橄榄形Zr02晶粒(< 1 gym),这种结构具有较高的抑制裂纹扩展的能力，适宜在较高温度梯度的条件下使用。钢液中的Si, AI的存在使得M四易于从基体中脱溶，并形成以Mg2SiO4为主成分的液相。该液相有助于形成致密层，增强抗钢液侵蚀能力和抗冲刷能力。

ZrO2分离环在线材水平连铸上的使用结果表明:ZrO2分离环质量稳定，基本能够满足线材水平连铸工艺要求，对于钻基钢种最大铸钢量可达到550kg。

BN分离环

六方氮化硼因其优良的耐高温性、电绝缘性、热导率高和润滑性能而引起人们的重视。它的化学稳定性极好，在1800℃对碳和一氧化碳是稳定的。另外，它不受溶融的玻璃、硅、硼、非氧化物炉渣、熔盐(硼砂、冰晶石)和金属熔体(如Al, Fe, Cu, Zn等)腐蚀。用热压和热等静压技术可以克服烧结上的困难，获得致密的氮化硼材料。另外，BN还具有可机械加工性，可以加工成精度很高的零件。这对制作形状复杂产品并扩大其应用领域提供了有利的条件。该材料已广泛用于钢水的水平连铸分离环。

BN材质本身烧结性能较差，即使引入助烧结剂用一般的烧结方法也难以获得致密的、性能优异的制品。为了得到高强度、高致密度的BN系烧结体，一般采用在保护气氛下进行热压烧结。同时还要考虑添加适宜的助烧结剂，目前采用的助烧结剂有CaO、B2O3 . Al2O3等。

通过对BN分离环使用前后断口显微结构分析，可以看到，在BN材质中存在片状和柱状两种晶形，晶粒细小，分布较均匀，片状晶形为BN，柱状晶形为加入物。BN分离环在使用后，由于在高温下BN晶形生长更趋完善，因而使用后材料强度没有损失。

其它材质的分离环

日本钢管公司及住友金属工业公司、美国通用电机公司采用的分离环系以Si 3N4原料为主，加入5%--15%BN制造的，日本钢管公司的分离环的寿命在4h以上，可拉铸坯长度达600 m以上。而俄罗斯采用过石墨质分离环，并且在其表面涂上特殊涂层，但这种材质的分离环不宜于使用在低碳钢的连铸上。

在国外研究的BN基复合材料分离环中，BN-SiC材料在使用中收到了较好效果;对于高合金钢的浇铸，使用BN-ZrO2材料取得了很好的效果。

总结

国内外对水平连铸分离环材料已经做了大量的研究工作，并且也收到了一定的使用效果，但是仍然存在使用寿命短等问题。因此，仍需要进一步深入研究，并开发新材质。

通过总结，提出了水平连铸分离环材料的两个发展方向:

1）开发BN为基的复合材料分离环;

2）开发BN增韧的复合材料分离环。

最后，值得一提的是，O'-sialon材料是近年来开始研究的一种新型陶瓷材料。它具有高温强度高、化学稳定性好、抗氧化能力和抗侵蚀能力强的特点，但是它的断裂韧性不够高。利用O'-sialon和BN材料各自具有不同的优良性能，将此两种材料进行复合，研制出一种新型的O'-sialon-BN复合材料，使之具有二者优点，以期达到优势互补，作为水平连铸分离环的备用材料，将是一个很有前途的发展方向。

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