滑板用耐材

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1、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 PlateJin Congjin Qiu Wendong(Baoshan lion & Steel Coip.)Sun Jalin Hong Y amiio(University of Science & Teclmologv Beijing)Abstract The present paper reviewed the properties an

2、d wearmeclianism of the refiactoiy material in the recent years and discussed the trend of leseaich and development of the material.Keywords slidmg plate lefiactoiy mateiial development1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。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

3、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。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链质； 在日本和欧洲还有镁碳质、尖晶石碳质、氧化鉛质等。表1是 5种材质滑板的成分的理化性能。表1铝碳质、铝碳箔质、镁碳质、尖晶石碳质、氧化箔

4、质滑板的理化 性能名称铝碳质铝碳链质镁碳质尖晶石碳 质氧化错质体积密度/gcnf2. 83.003. 063. 182. 943. 092. 903,154. 985, 35显气孔率/%7. 59.06. 09. 049610211耐压强度/HP a130200150230130180160190150560抗折强度 /MPa(1400C)11 1413 1630 4530 36914热膨胀率/%(1500C)1. 0 1. 11.941.261.03化学 成分%A12O370 7570 7581523. 7MgO80 9075. 3ZrO271093 97F.C12 15510353 4.

5、50-2.02.1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；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C3。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铝碳箔质滑板铝碳错质滑板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

6、的Al203-Si0-Zr02系原料， 制成以斜错石、莫来石、刚玉等为主晶相，以碳结合为特征的 耐火材料。首先引入错莫来石做骨料，利用链莫来石中的氧化 鉛在约1000C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。其次力0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101111121,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

7、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。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氧化错质滑板氧化链质材料具有良好的耐蚀性（CaO-ZrO2系液相线温度 均在2000C以上）和耐剥落性（比较低的热膨胀系数）。氧化镁 部分稳定的氧化鉛质滑板,可以在较苛刻的浇铸条件下使用， 寿命最高可达10次。采用热压成

8、型的氧化错质滑板具 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4080C ;（3）屮间包用滑动水口装置的耐火材料预先加热到800C 左右，铸钢时,使用一次的温差是从开始的700800C至铸钢 温度（15201560C）;而钢包滑动水口装置的耐火材料在铸钢 开始前仅为100C左右，每次使用时，一个周期的温差则是从 100 400C 至今 1600 1670Co这些因素都会引起钢包用滑

9、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浇铸 方法滑板材质钢种平均使用 寿命/次模铸ALOsC-ZrO：高氧高镭钢1.5镇静钢2连铸AhOs-C-ZrO：钙处理钢2.5镇静钢J4. 3表3宝钢一炼钢中间包滑板的使用条件及寿命钢种滑板材质平均使用寿命/次钙处理钢ZrO24镇静钢Al2O3-C-ZrO26.5对滑

10、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 C)接 触而受到强烈热震(温度变化约在1400C),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

11、抗热应力断裂系数R。R=S(l-H)/Ea (1)龟裂一旦产生，并不断扩展，这种龟裂应力的阻力系数也, 按照Hass Iman断裂力学理论：二Y (l-U)/E0a2 12(2)式中S抗拉强度E弹性模量U泊松比Eo无龟裂时的弹性模数a热膨胀系数Y 一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Rst 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Al203-C-Zr02质滑板的R和Rst最大, 依次是Al203-Cl Zr02尖晶石-C质和MgO-Co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，

12、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、高氧高鎰钢、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。Al203-C-Zr02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 AlA-C质、ZiQ质滑板的热震稳定性较Al203-C-Zr02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 AlA-C-ZrOs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,Al203-C-Zr02质

13、滑板的使用量约占滑板总使用量的95%以 o由于ALO3和MgO Al2O3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?质滑板。由于AL03和Zr02 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 AlA-C质滑板。3.3 A1A-C质滑板损毁的化学机理A1A-C质滑板和Al203-C-Zr02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)+O2(g)=2CO(g)(3)C(s)+02(g)=C02(g)FeO(s)+C(s)=Fe+CO(g) (5)Fe4+3C (s)二 2Fe+3CO (g)(6)(

14、2) 莫来石的分解：3A12O3-2SiO2 (s)+SiO2(s)+9C (s)3A12O3 (s) +3SiC (s)+6CO (g) t (7)3ALO$2SiO2 (s)+2C (s) -3A12O3 (s)+2SiO(g) t +2CO(g) t (8)3Al203-2Si02(s) +2C0 (s) -3A12O3 (s)+2SiO(s) t +2CO2(g) t (9)(3) SiO：与钢和熔渣屮的FeO、MnO反应形成低熔点矿物相 2FeO SiO2(12O5C) MnOSiO2(1291C);(4) A1Q、SiO?与钢和熔渣中的CaO反应形成低熔点的2CaO Al2O3 S

15、iO2(1327C)和 12C80 7AL03(1392C)。4滑板材质改进方向针对A1A-C和Al2O3-C-ZrO2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 Al203-C-Zr02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

16、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、氧化错质滑 板和金属结合滑板19120等的研究；(2) 应用有限元分析理论泗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。联系人:金丛进，工程师，上海市(200941)宝山钢铁集团公司炼 钢厂作者单位：金丛进 邱文冬 宝山钢铁集团公司孙加林 洪彦若 北京科技大学参考文献1成澈、余市等.含氧化钳碳结合滑动水口的性质及使用性能.国外耐火材料，1985, (10) :472王守权译.钢铁工业用耐火材料最新动

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