铝碳耐火材料介绍(赵惠忠)

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
2、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。
3、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。
铝碳质耐火材料
铝碳质耐火材料是指将氧化铝原料和 碳素原料，大多数情况下还加入其它原料， 如SiC、金属Si等，用沥青或树脂等有机 结合剂粘结而成的碳复合耐火材料。 铝碳质耐火材料大量应用于钢铁生产 工艺过程中的连铸工序、高炉铁水沟和铁 水包等设备上。图6.1是钢铁生产工序图 及有关设备名称。
连铸工序：
连铸用耐火材料，是指从钢包开始连铸工 序所用的耐火材料。近年来，由于对钢材质 量要求的提高，对连铸用耐火材料的质量也 不断提高，连铸对耐火材料的要求为： •
耐高温；
• 不与钢液或合金发生反应；抗渣性强；
• 抗高速钢流冲刷；
• 低气孔率，防止空气进入钢液；高的抗热冲击能力；
• 精确的几何尺寸；
• 装置和使用简单，质量稳定，价格不能太高。
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： 铝碳滑板的制造工艺流程如图6.5。
氧化铝原料（粗中细）
碳素原料(石墨、碳黑)
混 合
添加物（Si、Al、SiC）
成 型
还 原 烧 成
油 浸
热 处 理
机 加 工
成 品
结合剂
图6.5 滑板制造工艺流程
烧成铝碳滑板的结合系统
2.0 1.5 õ ¯ Á Ñ » Â ª ² ¯ Ä À Ê AZTS
ò Í Ê ¥ È Å Õ Â /£
1.0
0.5
0.0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Â È æ Î ´ /¡
图6.4 有关材料的的膨胀曲线
6.1.3 滑板的基本制造工艺
1、烧成铝碳滑板
中间包和结晶器的钢水被流出的渣的保护渣所 覆盖，连铸用水口的外壁被渣蚀损，特别是浸入式 水口由于浸渍在碱和氟成分高的蚀损性强的保护渣 中，所以保护渣线的蚀损很严重，是影响浸入式水 口寿命的主要因素。
6.2.1 长水口的损毁原因及其发展过程
长水口在熔融钢水从钢包向中间包浇注 过程中，具有重要的气密功能。长水口的损 毁原因主要是：
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。
① 浇注初期因耐热剥落性差而发生纵 向开裂；
② 由于机械强度差，耐热应力能力低 而导致颈部裂缝； ③ 渣线及内表面的侵蚀；
④ 连接处的氧化或氧气清洗造成的变 质。
对于长水口来说，耐热剥落是最重要的， Al2O3-SiC-C系材料因具有优良的耐热剥落性目前 被广泛使用，然而玻璃状SiO2尽管其的膨胀率低 对改善材料的耐热剥落性有效，但SiO2下列缺点： ① SiO2易于熔融钢水和渣中的Mn或Fe氧 化物形成低熔物；
滑动水口系统（包括上下水口、上下 滑板）作为钢包和中间包的钢水流量控制 系统，因可控性好，能提高生产率而得到 迅速发展。
滑动水口系统优于传统的塞头水口控 制系统，它促进了钢包精炼工艺和连铸技 术的发展，同时，随着钢产量的上升和钢 质量的提高，与此同时多炉连铸技术的发 展必须要求滑动水口系统增加使用寿命， 减少操作费用。
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。
表6.1
¬ å Ä ² ð Î ½ » ©³ Ê Ë Ð Ê ² ð Ê Ë ý Ú ª´ © ó Ö ¿ Ö ¾ À ² ý Ú Ü §¥ ð Ö ¿ Ö Î Ä Ë ¬ ¯ í æ ² ð » ´ ªÃ Ê Ë Å ä ² Ñ Æ «É ¬Á Î ý Ú Ü §ô ü Ö ¿ Ö Î ³ Ô ¬ ¯ í æ þ ä » ´ ªÃ ©Â ¬ ¯ í æ þ ä » ´ ªÃ ©Â ý Ú Â û Ö ¿ ´ È
钢包＋中间包
高炉
钢包 转炉 钢包滑板 上挡渣堰 长水口 中间包盖 中间包
混铁车
中间包用滑板 下挡渣堰
浸入式水口
图6.1 钢铁生产工序
6.1 连铸用铝碳质耐火材料
6.1.1 连铸对耐火材料的要求
60年代连铸技术的引入，使得模铸－脱模－均 热炉－开坯这一工序过程得以简化为一步将钢液变 成热轧钢坯的过程，并具有节能、节省基建投资、 降低生产成本、提高效率的优点，是一种高产、低 耗的生产方法。连铸工序在钢嵌方法与龟裂方向的关系
6.2 铝碳质长水口、整体塞棒和浸入式水口
连铸用长水口和浸入式水口一般是在较大的热震条件 下使用，所以过去用熔熔融SiO2材质，但随着连铸技术的 发展，长水口和浸入式水口的使用条件变得日益苛刻，因 此耐蚀性和热震性更好的等静压成型的铝碳质和锆碳质水 口已成为主体。 连铸用水口的使用目的是为了保证钢包－中间包之间 或中间包－结晶器之间的钢水顺利通过，同时具有重要的 气密功能以防钢水的二次氧化和渣的卷入。这些连铸用水 口的使用寿命和稳定性对连铸机的生产率以及板坯的质量 有很大的影响。
通常将连铸用水口安装在滑板或整体塞棒下方， 上部用夹持器固定，下部自然下垂，用于控制钢水 的流量，使钢水通过水口内孔下流。因些连铸用水 口要承受注钢初期的强烈热震和由钢水下流等所造 成造成的振动机械力。因此在长水口中夹持器夹持 部分部位（颈部）的折损以及水口的裂纹，但因预 热条件和材质不同，颈部和流钢口周围出现裂纹的 现象也时有发生。
连铸用耐火材料如图6.2所示，其中 用到碳复合耐火材料的部位有：钢包的 渣线，各种水口砖、各种滑板及整体塞 棒。
渣线MgO-C砖
Al2O3-MgO 质浇注料
水口砖
整体Al2O3 质塞棒
Al2O3-C滑板
铝碳质 浸入式水口
图6.2 连铸用耐火材料
滑动水口用耐火材料
注钢用耐火材料，60年代以前使用套筒塞 棒，60年代开发了滑动水口，从钢包往中间包 以及从中间包往结晶器中注钢，是连铸用耐火 材料的一大变革。作为钢水流量的控制方式， 最早提出滑动水口方案的是1885年美国专利， 1964年、1968年德国和日本分别开始使用滑动 水口，我国70年代开始推广使用。
² ð Ê Ë Ö Ë Á Ä Ä Ë Ó Ê Ë µ ® ô³ ¥ ð ë ² ð
È Õ ð Ö Ô ± ½ Ú ¬ å Ä í æ µ ü Õ µ Ô » ©³ ªÃ Al2 O3µ ¬ ½ Å
6.1.5 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。 图6.6求出了热嵌方法与龟裂发生方向的关系。
6.1.2 滑板
1>. 滑板的类型及组成
往复式
旋转式
图6.3 滑板类型 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。
2>. 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。
② 高温下发生SiO2(s)+C(s)=SiO(g)+CO(g) 反应,其被分解，在耐火材料制品中形成空隙；
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。
6.1.4 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。 表6.1列出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。
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。