滑板用耐火材料的发展

滑板用耐火材料的发展

金丛进邱文冬孙加林洪彦若

摘要综述了近年来滑板用耐火材料的性能和损毁机理,探讨了我国滑板的研究和发展趋势。

关键词滑板耐火材料发展

Development of Refractory Material for Sliding Plate

Jin Congjin Qiu Wendong

(Baoshan Iron & Steel Corp.)

Sun Jalin Hong Yanruo

(University of Science & Technology Beijing)

Abstract The present paper reviewed the properties and wearmechanism of the refractory material in the recent years and discussed the trend of research and development of the material. Keywords sliding plate refractory material development

1 前言

自70年代以来,滑动水口已成为钢铁工业快速发展的重要工艺技术革新之一［1］。现在国内外绝大多数钢包、中间包都装上了滑动水口系统。滑板砖是滑动水口的关键组成部分,是直接控制钢水、决定滑动水口功能的部件。滑板的制造工艺与以前的耐火材料不同,它具有钢水注入功能和流量调整功能,砖的制造除了混练、成型、烧成、检查这些工序以外,还有滑动面的机械加工,安装加工及外部整体调整工序。［2］。在使用过程中,由于需要长时期承受高温钢液的化学侵蚀和物理冲刷,激烈和瞬变的热冲击和机械磨损作用,使用条件极为苛刻;同时,为实现自由开闭钢流,滑动面平整度及其板型尺寸均需严格要求。因此滑板必须具有高强度、耐磨损、耐渣蚀和热震稳定性好等特性。

2 现有滑板的性能

目前国内广泛使用的滑板材质主要是铝碳质和铝碳锆质;在日本和欧洲还有镁碳质、尖晶石碳质、氧化锆质等。表1是5种材质滑板的成分的理化性能。

表1 铝碳质、铝碳锆质、镁碳质、尖晶石碳质、氧化锆质滑板的理化

性能

2.1 铝碳质滑板

铝碳质滑板是70年代末期开发的产品,以烧结氧化铝和合成莫来石

为主要原料,在基质部分添加碳组份和防氧化剂(如金属铝、金属硅、SiC、B

4

C、Mg-B等),加入结合剂煤沥青或酚醛树脂混练成型;在还原气氛下烧成,形成碳结合的耐火材料［3］。这种材质的滑板因其组织致密,气孔微细,且含有一定数量的残碳,钢液和渣液难以浸渍,故耐侵蚀性良好,但其缺点正是由于组织致密,耐热冲击性则有所下降,不能多次连续使用,其次,在使用过程中,由于碳易被氧化,导致结构疏松,降低了耐侵蚀性。

2.2 铝碳锆质滑板

铝碳锆质滑板［4～8］是在烧成铝碳质滑板的基础上研制开发的。这种

材质滑板采用了低膨胀率的Al

2O

3

-SiO

2

-ZrO

2

系原料,制成以斜锆石、莫来

石、刚玉等为主晶相,以碳结合为特征的耐火材料。首先引入锆莫来石做骨料,利用锆莫来石中的氧化锆在约1000℃时发生晶型转变,伴有体积收缩的特点,晶粒内产生显微裂纹,大大改善了材料的耐热冲击性能。其次ZrO

2

具有优良的抗侵蚀性,其耐侵蚀性较铝碳质滑板明显提高,成为现今大型钢铁企业滑板使用中的主流。

2.3 镁碳质滑板

在方镁石滑板基础上发展的MgO-C质滑板［9,10,11,12］,克服了方镁石滑板抗热震性差的缺点。在浇钢温度高、时间长以及钢水中氧和钙含量高的条件下,镁碳质滑板也都获得了满意的使用结果。

2.4 尖晶石碳质滑板

尖晶石碳质滑板采用了镁铝尖晶石原料,制成以镁铝尖晶石为主晶相,以陶瓷和碳复合结合为特征的耐火材料。镁铝尖晶石材料的热膨胀系数和弹性模量均比氧化镁小,抗热冲击能力比氧化镁强。但尖晶石材料与钢中钙发生缓慢的化学反应,生成低熔点物,影响其使用寿命［10］。现在,通过对制造过程中原材料的改进,并对泥料的粒度分布及烧成温度加以改进和控制,镁尖晶石滑板的耐侵蚀性均有很大提高,使用寿命也明显增加。

2.5 氧化锆质滑板

氧化锆质材料具有良好的耐蚀性(CaO-ZrO

2

系液相线温度均在2000℃以上)和耐剥落性(比较低的热膨胀系数)。氧化镁部分稳定的氧化

锆质滑板,可以在较苛刻的浇铸条件下使用,寿命最高可达10次［13,14,15］。采用热压成型的氧化锆质滑板具有高温强度高、显气孔率低、气孔径小等特点。在中间包上使用,更具有耐钢和渣的侵蚀性能［15］。

3 滑板的侵蚀机理

滑板用耐火材料因其结构、用途、使用条件等不同,显示出了不同的损坏形式。

(1)中间包用滑板与熔渣不发生相互作用;

(2)中间包内钢水温度比钢包内钢水温度低40～80℃;

(3)中间包用滑动水口装置的耐火材料预先加热到800℃左右,铸钢时,使用一次的温差是从开始的700～800℃至铸钢温度(1520～1560℃);而钢包滑动水口装置的耐火材料在铸钢开始前仅为100℃左右,每次使用时,一个周期的温差则是从100～400℃至今1600～1670℃。

这些因素都会引起钢包用滑板和中间包用滑板蚀损的形式和程度的不同,中间包用滑板受热震影响小,其损毁的主要原因是钢流造成的磨损或由于固定节流开闭时所引起的堵塞。

另外,滑板还由于浇铸的钢种不同和浇铸方法(模铸或连铸)不同,蚀损情况和蚀损程度也各不相同。表2、表3分别为宝钢一炼钢钢包和中间包用滑板的使用条件及寿命。

表2 宝钢一炼钢钢包滑板的使用条件及寿命

表3 宝钢一炼钢中间包滑板的使用条件及寿命

对滑板损坏过程的诸多分析来看,最主要的原因有两个方面:(1)热机械蚀损;(2)热化学侵蚀。

3.1 热机械蚀损

滑板在使用过程中首先产生的是热机械蚀损,滑板在工作前的温度很低,浇铸时,滑板内孔突然与高温钢水(1600℃)接触而受到强烈热震(温度变化约在1400℃),因此在铸孔外部产生了超过滑板强度的张应力,导致形成以铸孔为中心的辐射状的微裂纹。裂纹的出现有利于外来杂质的扩散、集聚和渗透,更加速了化学浸蚀。同时,化学浸蚀反应又促进裂纹的形成与扩展,如此循环,使滑板铸孔逐步扩大、损毁。而且高温钢水的冲刷会损伤靠近与钢摩擦部位的耐火材料,并造成剥落、掉块。

根据Ringery热弹性理论得出初期抗热应力断裂系数R。

R=S(1-μ)/Eα(1)

龟裂一旦产生,并不断扩展,这种龟裂应力的阻力系数R

ST

,按照Hasslman断裂力学理论:

R sT =［γ(1-μ)/E

α2］1/2(2)

式中S——抗拉强度

E——弹性模量

μ——泊松比

E

——无龟裂时的弹性模数

α——热膨胀系数

γ——断裂能

上述两式表明:材料热膨胀系数和弹性模量越小,R和R

ST

数值越大,龟裂就越难产生或扩展。材料的热震稳定性就越好。

上述5种材质滑板中以Al

2O

3

-C-ZrO

2

质滑板的R和R

ST

最大,依次是

Al

2O

3

-Cl、ZrO

2

、尖晶石-C质和MgO-C。

3.2 热化学浸蚀

热化学浸蚀是滑板损毁的另一主要原因,滑板用耐火材料在使用过程中接触高温钢水和炉渣,发生一系列化学反应,造成化学浸蚀。依据不同钢种对滑板的化学损毁机理不同,宝钢现生产的钢种可分为三类,即镇静钢、高氧高锰钢、钙处理钢。再依据不同的使用条件,选择相应材质的滑板,这样可提高滑板的使用寿命,降低耐材成本。

Al

2O

3

-C-ZrO

2

质滑板由于具有优良的抗浸蚀性和热震稳定性,能适应

多种钢种的浇铸,最适宜用作钢包滑板。MgO-C质、MgO.Al

2O

3

-C质、ZrO

2

质滑板的热震稳定性较Al

2O

3

-C-ZrO

2

质差,适合于特殊钢条件下作为中间

包滑板使用。根据宝钢实践Al

2O

3

-C-ZrO

2

质滑板在浇铸镇静钢时,作为中

间包滑板使用可实现多炉连浇,是其它材质滑板所不能及的。在宝

钢,Al

2O

3

-C-ZrO

2

质滑板的使用量约占滑板总使用量的95%以上。

由于Al

2O

3

和MgO.Al

2

O

3

可与CaO反应生成低熔物,因此对于钙处理钢,

宜选用MgO-C质或ZrO

2质滑板。由于Al

2

O

3

和ZrO

2

可与FeO反应生成低

熔物,因此对于高氧钢,就选用MgO-C质或MgO.Al

2O

3

-C质滑板。

3.3 Al

2O

3

-C质滑板损毁的化学机理

Al

2O

3

-C质滑板和Al

2

O

3

-C-ZrO

2

质滑板化学损毁的主要原因［16,17,18］有:

(1)碳和石墨的氧化:

2C(s)+O

2

(g)=2CO(g) (3)

C(s)+O

2(g)=CO

2

(g) (4)

FeO(s)+C(s)=Fe+CO(g) (5)

Fe

2O

3

+3C(s)=2Fe+3CO(g) (6)

(2)莫来石的分解:

3Al

2O

3

.2SiO

2

(s)+SiO

2

(s)+9C(s)→

3Al

2O

3

(s)+3SiC(s)+6CO(g)↑(7)

3Al

2O

3

.2SiO

2

(s)+2C(s)→3Al

2

O

3

(s)

+2SiO(g)↑+2CO(g)↑(8)

3Al

2O

3

.2SiO

2

(s)+2CO(s)→3Al

2

O

3

(s)

+2SiO(s)↑+2CO

2

(g)↑(9)

(3)SiO

2

与钢和熔渣中的FeO、MnO反应形成低熔点矿物相

2FeO.SiO

2(1205℃)、MnO.SiO

2

(1291℃);

(4)Al

2O

3

、SiO

2

与钢和熔渣中的CaO反应形成低熔点的

2CaO.Al

2O

3

.SiO

2

(1327℃)和12CaO.7Al

2

O

3

(1392℃)。

4 滑板材质改进方向

针对Al

2O

3

-C和Al

2

O

3

-C-ZrO

2

质滑板,其改进的主要措施:

(1)采用无硅或低硅含量的原料;

(2)在不降低热震稳定性的情况下,减少碳和石墨含量;

(3)采用新型防氧化剂。

宝钢和上海永和耐火材料公司联合研究开发的低硅Al

2O

3

-C-ZrO

2

质

钢包滑板,1998年5月在宝钢一炼钢试用了300套,平均使用寿命3.6次,创历史最好记录。

5 今后的研究和发展方向

从我国高效连铸和超纯净钢发展的需要出发,结合我国的资源和实际,应努力提高滑板的使用寿命,开发浇铸不同钢种的滑动水口,开发滑板的再生技术，其研究和发展方向初步建议如下：

(1)加强对新型材质滑板的研究,如镁质滑板、氧化锆质滑板和金属

结合滑板［19,20］等的研究;

(2)应用有限元分析理论［21,22］研究新型复合滑板不同材质部分的热

膨胀不匹配问题、温度场和热应力分布问题;

(3)进一步研究高效防氧化剂,如Mg-B合金等［23］;

(4)研究生产无碳或低碳滑板,浇注超低碳钢。

钙处理钢和含氧量高的钢滑板耐火材料

(2010-01-09 15:27:28)

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标

签：

杂谈

44钙处理钢、含氧量高的钢用碱性滑板王玺堂

王玺堂汪厚植张文杰洪彦若孙加林

摘要分析了钙处理钢、含氧量高的钢用滑板的损毁机理,介绍了国内外开发研究碱性滑板的现状,并指出应着重研究开发树脂结合低碳碱性滑板,还应该注意开发特种金属结合和非氧化物结合的滑板。

关键词钙处理钢和含氧量高的钢滑板耐火材料

Basic Slide Plate for Calcium Treatment Steel

and High Oxggem Content Steel

Wang Xitang Wang Houzhi Zhang Wenjie

(Wuhan Yejin University of Science & Technology)

Hong Yanruo Sun Jialin

(University of Science & Technology Beijing)

Abstract This paper analysised the wear machanism of slide plate for calcium treatwent steel and high oxygen content steel, introduced the precent situation of research and development of basic slide plate both dowestic and overseas. It is suggested that enougy attention should to be payed in the researen and development of resin bonded low carbon basic slide plate and metal or nonoxide bonded slide plate.

Keywards calcium theatment steel slide plate refractories

1 前言

滑板以提高其耐用性为目的,要求具有高的耐侵蚀性、耐剥落性、耐磨性。在浇注钙处理钢及高氧钢时由于滑板受到严重侵蚀其耐用性显著下降,所以人们正致力于开发新材料以提高滑板的寿命。

研究开发的方向是使用不会与CaO产生低熔物的原料,重点研究如何提高材质的热震稳定性,抗侵蚀性,抗氧化性以及高温强度。

2 钙处理钢、含氧量高的钢用滑板的损毁

2.1 钙处理钢对滑板的蚀损机理

在浇铸钙处理钢的过程中,原来使用的滑板的寿命将大幅度下降。这是因为除了浇铸常规钢种所引起的蚀损外,还存在下面机理造成的特殊蚀损。

(1)钢水中Ca与耐火材料中的Al

2O

3

,SiO

2

的还原反应,CaO的生成;

(2)CaO与耐火材料中Al

2O

3

,SiO

2

反应,滑板中具有更多液相,这样钢水流对耐

材易造成冲刷蚀损;

(3)滑板用半闭合状态浇铸时造成负压带,钢水中的钙蒸气与吸入在滑板中的氧反应,在负压带形成CaO,致使在上滑板的表面形成“马蹄形”腐蚀。

2.2 含氧量高的钢用滑板的蚀损

由于炼钢技术的发展,过去连铸困难的含氧高钢,现在已可以生产了。使用的铝碳质、铝锆碳质滑板,滑动面拉毛显著,使用寿命下降。这主要是由于耐火材料中碳的氧化,造成耐火材料组织破化。

3 钙处理钢、含氧量高的钢用滑板的开发研究

3.1 材料开发的要求

根据滑板蚀损机理,在材料选择方面应具有下列性能:

(1)减少与CaO反应的组份,以降低低熔点化合物的生成;

(2)减少多孔结构,以降低或阻止CaO的渗透,以及氧的浸入;

(3)应降低碳含量,以减少滑动工作面发生碳的氧化;

(4)应具有良好的热震性,防止或降低裂纹出现;

(5)具有高的耐磨损性能,以便多次使用,要求材料高温强度高。

3.2 原料选择原则

基于上述要求,根据有关耐火原料性能应着重选择镁砂,镁铝尖晶石原料,对于ZrO

而言,性能也是很好的,但价格高,重量大。原料的优缺点见表1。

2

表1 耐火原料优缺点

由上述分析可见,对于钙处理钢应选择镁砂、尖晶石为好。对于镁质

材料,由于其热膨胀系数大,和有限的强度,会削弱它的优良的耐侵蚀性,

选用这种材料,其损毁主要是裂纹的产生和扩展。

3.3 镁尖晶石滑板

我国70年代就已使用不烧镁质滑板。但由于氧化镁易吸潮水化,耐热震性能差,在浇钢过程中造成板面拉槽,孔径扩大,有时关闭失控,严重时造成间隙漏钢事故,尤其是浇铸沸腾钢更为严重。

以镁铝尖晶石为结合相,可以通过“复相改性”提高其热震稳定性,方镁石-尖晶石耐火材料由于尖晶石的存在,形成方镁石与尖晶石之间的直接结合结构。一方面方镁石与尖晶石之间能产生显微裂纹,能起到缓解应力的作用,从而提高材料的热震稳定性。另一方面尖晶石能与FeO反应

可生成含铁尖晶石,MgO与Fe

2O

3

反应生成尖晶石,从而消除FeO,Fe

2

O

3

的对

性能的影响。

因此人们开发了镁铝尖晶石滑板(烧成或不烧),以适应冶炼的需要。在制备过程中,选择结晶粗大,晶格完整致密的高纯镁砂,它水化能力低,抗侵蚀强,荷软点高。对于尖晶石原料一般采用理论组成尖晶石或富镁尖晶石,也有的采用富铝尖晶石。加入尖晶石量对制品烧成后气孔率有影响。一般加入量不超过30%尖晶石,以细粉形式加入有利于提高材料的高温强度。同时随尖晶石加入量增多,制品热震性提高,抗渣侵蚀性降低,抗渣渗透性提高。材料中不同MgO含量滑板的性能见表2。

表2 不同MgO含量滑板的性能

据有关资料介绍,添加ZrO

2,Cr

2

O

3

,TiO

2

等可提高镁尖晶石耐火材料

的性能，研究表明ZrO

2

对提高方镁石—尖晶石耐火材料热稳定性作用明

显，特别是以脱硅锆形式加入。Cr

2O

3

的加入可提高抗侵蚀性。

然而,对于陶瓷结合镁尖晶石滑板仍存在许多不足之处,最突出的问题是:

(1)耐热震稳定性仍显不足;

(2)抗渣,渗透差;

(3)高温强度不高。

3.4 碳复合碱性滑板

对于钙处理钢用滑板,使用尖晶石材质,在热震稳定性等方面仍有不足之处。为此目前开发树脂结合碱性滑板。然而,碳结合滑板会因氧化而使滑板面受损,同时难以应用于含氧量高的钢的浇铸,为此低碳材料的研究一直在进行中。

基于要开发耐侵蚀高,抗氧化且热震性好的滑板,原料仍使用优质镁砂或尖晶石。从耐热震性方面考虑,选择弹性率低,热态下强度下降小的碳结合剂。同时,以靠加入金属,非氧化物来提高抗氧化性,提高热态强度。

在研究的低碳树脂结合滑板过程中,由于数种低熔点金属的添加而在广泛的温度范围内具有强度。这是由于在700℃左右的温度下,低熔点金属作为“金属结合”而产生强度,在更高的温度范围内形成氧化物、碳化物、或氮化物,形成陶瓷结合而产生强度。然而,从树脂结合的分解温度到发现低熔点金属产生结合强度的温度的所谓中温区域,尚存在强度低和耐氧化差的问题。据报道,人们研究开发了在结合剂中含有与氧的亲和性比碳更高的金属基,以期待其容易与氧或碳结合形成陶瓷结合。

对于钙处理钢,MgO-C质,尖晶石-C质,同ZrO

2-C,Al

2

O

3

-C质滑板性能

见表3。

表3 试验砖的性能

此外,有人进行了在铝碳滑板以及在浸入式水口等中引入氧氮化铝(阿隆)等非氧化物的研究,结果表明,滑板使用后孔径的扩大速度比未加的材质大大减少,说明抗渣侵蚀提高,而且也提高了材料的抗热震性能。因此象氧氮化铝这类非氧化物可望也同样地引入到碱性耐火材料中,以便改善其性能,提高使用寿命。

4 结语

随着连铸技术的发展,使滑板的使用条件愈来愈苛刻。对于钙处理

钢、含氧量高的钢的连铸用滑板应着重研究开发碱性滑板,以提高其使用

寿命。目前以镁碳质、镁尖晶石碳质和尖晶石碳质滑板为人们关注的焦

点,同时还应该注意开发特种金属结合和非氧化物结合的滑板。

2.滑板

滑板的类型及组成

往复式

旋转式

从结构上分:按滑动方式的不同,分为往复式和旋转式;

从组成滑板的块数上分:两层式和三层式;

从用途上分:由钢包用和中间包用滑板.

滑板类型

滑板的发展

滑动水口系统发展初期,滑板砖使用的是陶瓷结合高铝或镁质耐火材料,为增强其基质耐蚀性,防止渣的渗透,采用焦油浸渍,工作地点受到焦油的严重污染.镁质滑板用在钢渣量多或含氧量高的腐蚀钢种场合,MgO含量为85~95%,另加一些Al2O3或尖晶石以提高其热震稳定性. 随着多炉连铸要求的提高,碳结合铝碳质滑板解决了陶瓷结合滑板存在的问题.添加石墨的铝碳质滑板比高铝质滑板使用寿命要高得多,特别适用于电炉和中间包的小型滑板上,但在大型钢包滑板上还不令人满意.这是因为滑板面的损毁随着气孔率的降低或常温耐压的提高而减轻,但因此也增大了弹性模量,从而降低了热震稳定性.

一般情况下,强度上升,热震稳定性下降,这是铝碳质滑板存在的问题.

莫来石,锆莫来石,锆刚玉等材料比刚玉的膨胀系数小,因此这些材料适合于作为滑板的原料,以降低制品的膨胀系数和提高其的热震稳定性.

目前,作为一种膨胀率低适合于生产低膨胀高,抗热震稳定性的材料如AZTS(Al2O3-ZrO2-TiO2-SiO2)已被投入生产和使用.

AZTS的主要矿物组成为刚玉,斜锆石,和莫来石(monoclinc- ZrO2 ).

刚玉中含有Al2O3-TiO2和m- ZrO2,这类材料由三种以上矿相组成,矿相在材料中分布均匀. AZTS材料应用于滑板后的能使滑板的膨胀率和弹性模量降低,热震稳定性提高.图6.4是AZTS等材料的膨胀曲线.

3.有关材料的的膨胀曲线

氧化铝原料(粗中细)

碳素原料(石墨,碳黑)

添加物(Si,Al,SiC)

结合剂

混合

成型

还原烧成

油浸

热处理

机加工

成品

铝碳滑板的制造工艺流程如图6.5.

4. 滑板制造工艺流程

滑板的基本制造工艺

烧成铝碳滑板

原料:烧结刚玉,电熔刚玉,烧结刚玉-莫来石,合成莫来石,鳞片石墨,碳黑,硬质沥青和添加剂.

工艺流程:

烧成铝碳滑板的结合系统

在烧成铝碳滑板中,有机结合剂在烧成中碳化结焦,形成碳结合;

加入物Si,在1300℃还原烧成时,与碳素生成β-SiC,在砖体内形成陶瓷结合.

所以烧成铝碳滑板中存在着两种结合系统,它使滑板的强度明显提高,而且就是在使用中碳素燃尽之后,由于陶瓷结合系统的作用也能保持足够的残余强度.

影响烧成铝碳滑板质量的因素

刚玉抗侵蚀性能好,但膨胀系数比莫来石高;一定数量的莫来石有利于提高滑板的热震稳定性,但随着SiO2含量的提高,滑板的抗侵蚀性能下降.因此烧成铝碳滑板中SiO2一般控制在5~12%内,合成莫来石加入量最多不超过30%.

碳素原料对滑板的抗侵蚀性能和热震稳定性有重大的影响.碳含量在10%时,抗侵蚀性能最好;随着碳量的增加,抗热震性明显提高;碳黑属非晶质碳素,易于Si反应,在钢中难于溶解,可改善砖体显微结构,提高机械性能和抗侵蚀性能.一般采用两种或两种以上碳素原料,滑板中总碳含量波动在5~15%.

添加物Si与碳反应生成β-SiC,形成一定程度的陶瓷结合,且剩余的Si对抗氧化性有利,在0~7%范围内,Si加入量越多,抗氧化效果越好.Si粉越细,越有利于其分布的均匀;少量Al粉能明显提高制品的常温耐压和抗折强度(高温);在Si+Al总量为5%,Si/Al =1时,材料的抗氧化性和抗侵蚀性能最好.

油浸能提高滑板的使用性能.油浸使滑板的开口气孔下降,残碳量增加,从而可提高滑板的强度,抗热震稳定性和抗侵蚀性.

油浸工艺:滑板预热油浸罐抽真空(真空度650mmHg以上) 热的焦油或熔化的沥青对油加以0.8~1.6MPa的压强

不烧铝碳滑板

原料:刚玉,莫来石,Ⅰ等和Ⅱ等高铝矾土熟料,鳞片石墨,SiC,Si粉等.

特点:不用烧成,油浸及干馏热处理,工艺简单,但相对于烧成铝碳滑板而言,强度偏低,气孔率稍高.

铝锆碳质滑板

影响滑板使用寿命的主要原因是形成各种裂纹(热应力作用),为了提高滑板的使用寿命,采用低的膨胀系数的材料是最有效的途径.如提高碳含量,但随着碳量的增加,滑板被氧化的危险性增大,一旦制品被氧化,制品的抗冲刷和抗侵蚀能力降低;在配料中提高莫来石含量也能提高制品的抗热震稳定性,但随着莫来石含量的提高,SiO2也相应提高,滑板的抗侵蚀能力下降.而最理想的方法是在配料中加入锆莫来石.

在铝碳滑板中加入锆莫来石的作用机理

在生产滑板时加入锆莫来石,一方面起到莫来石的作用,另外,制品中含有ZrO2,低温下的单斜

氧化锆(M(monoclinic)-ZrO2)在1000 ~ 1200 ℃时转变为四方氧化锆(T(tetragonal)-ZrO2),伴有7~9%的体积收缩,所以含ZrO2的制品在高温下的的膨胀系数低,抗热震性强.另外ZrO2具有优良的抗侵蚀性.因此含锆莫来石的滑板的抗侵蚀性和抗热震性优于含莫来石的铝碳滑板. 铝锆碳质滑板制造工艺

与烧成铝碳滑板相比主要的区别在于用锆莫来石代替莫来石,锆莫来石的配入量一般在7~45%,<7%显示不出优良的热震性和抗渣性,超过45%,抗渣性也不理想.

5.滑板耐火材料的损毁

滑板耐火材料的损毁形式因使用条件而异,须根据钢种和浇注(连铸或模铸)的不同,选择合适的材质.

滑板用耐火材料损毁的主要原因及损毁形式的关系,这些原因一般不是单独存在的,而是相互影响,成倍加剧损毁,因此对于滑板用耐火材料来说,掌握其使用条件,损毁形式,考虑其应具备的性能平衡是必不可少的.

6. 防止滑板龟裂的措施

目前滑板龟裂的措施大多是采用钢箍热嵌的方法,且为了使已产生的龟裂不发生在滑动方向上,需要考虑滑板的紧固方法,一般在纵向紧固滑板时,易产生同方向龟裂,所以从斜边方向紧

固的方法有利于提高滑板的使用寿命

金属Al-Si结合Al2O3-C滑板的性能和使用

文章来源：中国耐火材料网添加人：admin 添加时间：2009-8-13

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l-Si结合Al2O3-C滑板的性能和使用

https://www.360docs.net/doc/d511157238.html, 2009.06.09

滑板是连铸用功能性耐火材料,要求其具有较高的高温强度,较好的抗热震性、抗氧化性。目前广

泛使用的Al2O3-C和Al2O3-ZrO2-C滑板的碳含量为8%～11%,且需高温(1400℃)烧成。随着低碳钢等优质

钢的发展,必须减少滑板对钢水的增碳污染,并要求在降低滑板中碳含量的同时仍保持其较好的抗热震

性和较高的高温强度;此外,为满足节能和环保的要求,希望能适当降低滑板的烧成温度。因此,研究了金属Al-Si结合Al2O3-C材料的制备、性能和结构,重点研究了Al复合Al2O3-C材料加热过程的变化,

及金属Al-Si含量对Al2O3-C材料高温性能的影响。在此基础上,郑州大学高温材料研究所和河南省伯

马股份有限公司合作,开发了节能型低碳金属Al-Si结合Al2O3-C滑板,该产品已在几个钢厂批量使用,

并取得了较好的使用效果。

1 生产工艺及产品性能

金属Al-Si结合Al2O3-C滑板的生产工艺如图1所示。该工艺的特点为:(1)在基质中配入适量的铝粉和硅粉;(2)低温烧成。

表1列出了金属Al-Si结合Al2O3-C滑板材料(MAS)和常用的Al2O3-C(AC)及Al2O3-ZrO2-C(A ZC)滑板材料的理化性能。由表1知,MAS的C含量比AC和AZC的降低了3%～6%,它们的常温物理性能相当,但MAS材料的高温抗折强度、抗热震性和抗氧化性等高温性能有显著提高。其高温强度高的基本原因是高温时Al-Si原位反应生成碳化物和氮化物,使材料形成非氧化物结合。

表1 滑板材料的理化性能

2 使用情况及损毁分析

2.1 使用情况

生产的金属Al-Si结合Al2O3-C滑板已在甲、乙、丙3个有代表性的钢厂批量使用,具体使用情况见表2,其中MAS的使用情况是近8个月统计的平均结果。甲、乙两钢厂原来使用的都是Al2O3-ZrO2-C质滑板,MAS滑板在甲、乙两厂的平均连续使用次数与原材质相当。丙钢厂原来使用的是Al2O3-C质滑板,平均连续使用次数是2.2次,MAS滑板的连续使用次数是5. 5次,比原材质提高了一倍多。从用后滑板的测量和观察看:MAS滑板的平均扩孔速度与原材质相近,但其纵向与横向的扩孔较均匀,可提高控流的灵敏度;MAS滑板在热态时表面没有发现裂纹,冷却后有2～3条细小裂纹,裂纹程度比原材质降低,明显提高了滑板多次连用的安全可靠性;MAS滑板用后滑程的拉毛长度比原材质少5～10mm,且拉毛程度明显降低,有利于滑板连用次数的提高。由于金属Al-Si结合Al2O3-C滑板有较好的抗热震性,所以用后裂纹细小;因其高温强度高,则扩孔较小,拉毛较少。为进一步弄清滑板的损毁机理,下面对用后的残砖进行分析,研究其损毁过程。

表2 滑板的使用情况

2.2 损毁分析

取丙厂使用5次后的滑板残砖,用XRD、SEM和EDAX方法进行分析。XRD的制样方法为:从铸孔向外30mm以内每10mm取一个样,30mm以外每15mm取一个样,共11个样。SEM的制样方法为:从铸孔向外每30mm取一个样,共4个样。从SEM看用后滑板的断面可分为粘钢层、侵蚀层、过渡层和原砖渐变层4层,对各层的化学组成(金属已换算成相应的氧化物)进行了能谱分析,其结果见表3。

表3 各层的化学组成(w)%

图2是距铸孔不同距离各部位的XRD图谱。从图看,铸孔周围AlN、Al4C3和SiC的含量较多,Al、Si的含量较少;远离铸孔部位非氧化物的含量减少,Al、Si的含量增多。

图2 距铸孔不同距离各部位的XRD图谱

图3为各层的显微结构。其中图3(a)为粘钢层和侵蚀层的显微结构。粘钢层呈灰白色,厚度约0.3mm,较致密,图3(b)显示,粘钢层中有铁铝尖晶石微晶析出;侵蚀层呈深灰色,厚度

约0.7mm,较疏松,有一定数量的金属铁和少量的MgO、SiO2及CaO侵入。过渡层厚度约10mm,该层的主要特征是非氧化物发生氧化,从铸孔向外氧化程度逐渐减轻,非氧化物含量逐渐增多;由化学组成看,除了非氧化物氧化生成氧化物,无其他物质侵入;过渡层有Al残留的圆形孔洞;图3(c)显示Al4C3的表面已发生氧化,在距铸孔3～10mm范围内发现由Al4C3和AlN氧化而生成的粒状刚玉,在10mm处,AlN、Al4C3和SiC的衍射峰较强,并出现Si微弱的衍射峰(见图2)。距铸孔10mm以外的部分统称为原砖渐变层,它们的化学成分相同;该层可分为10～75mm和75～135mm两部分,前者金属发生反应生成了非氧化物,图3(d)示出了距铸孔40mm 处Al4C3的形貌(表面已水化);后者金属没有发生反应,其相组成基本不变,为原砖层。

图3 滑板残砖各层的显微结构照片

由以上的显微结构分析,可以认为滑板在使用时的侵蚀过程如下:①在铸孔处,首先靠近表面工作层的AlN和Al4C3被氧化为Al2O3,SiC被氧化为SiO2,氧化后导致结构疏松,强度降低,在高温钢水的冲刷下,造成铸孔扩大。结构疏松使氧气和钢水容易向内部侵入,钢水侵入后,钢水中的FeO、CaO和SiO2与滑板中的Al2O3反应生成低熔物,促进了冲刷扩孔。②在滑动面处,AlN、Al4 C3和SiC被氧化后,表面工作层由非氧化物结合转变为氧化物结合,破坏了工作层的结构,使高温结合强度下降,在机械摩擦力的作用下脱落,造成滑动面拉毛。由此看,氧化是造成滑板损毁的先决条件,今后应改进该材质的抗氧化性,同时提高氧化后的高温强度,以进一步优化金属Al-Si结合Al2O3-C滑板的性能,提高其使用寿命。

3 结论

(1)自主研制开发了金属Al-Si结合Al2O3-C滑板,其工艺特点是低温烧成,产品特性是低碳。与高温烧成的Al2O3-C和Al2O3-ZrO2-C滑板相比,其高温性能显著提高。

(2)通过甲、乙、丙3个钢厂的批量使用,说明金属Al-Si结合Al2O3-C滑板能够满足大中型钢包浇铸品种钢的使用要求,其连续使用次数比高温烧成的Al2O3-C滑板提高一倍多,与Al 2O3-ZrO2-C滑板相当;用后滑板扩孔均匀,拉毛较少,裂纹微细。

(3)金属Al-Si结合Al2O3-C滑板使用时的损毁过程可能是:表面工作层的非氧化物首先被