滑板用耐火材料的發(fā)展

1、滑板用耐火材料的發(fā)展金叢進(jìn) 邱文冬 孫加林 洪彥若摘 要 綜述了近年來滑板用耐火材料的性能和損毀機理，探討了 我國滑板的研究和發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞滑板耐火材料發(fā)展Development of Refractory Material for Sliding PlateJin Congjin Qiu Wendong(Baoshan Iron & Steel Corp.)Sun Jalin Hong Yanruo(University of Science & Technology Beijing)Abstract The present paper reviewed the properties an

2、d 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 development1前言自70年代以來，滑動水口已成為鋼鐵工業(yè)快速發(fā)展的重要工藝技術(shù) 革新之一?，F(xiàn)在國內(nèi)外絕大多數(shù)鋼包、中間包都裝上了滑動水口系統(tǒng)。 滑板磚是滑動水口的關(guān)鍵組成部分，是直接控制鋼水、決定滑動水口功能 的部件?；宓闹圃旃に嚺c以前的耐

3、火材料不同，它具有鋼水注入功能和 流量調(diào)整功能，磚的制造除了混練、成型、燒成、檢查這些工序以外，還 有滑動面的機械加工，安裝加工及外部整體調(diào)整工序。在使用過程 中，由于需要長時期承受高溫鋼液的化學(xué)侵蝕和物理沖刷，激烈和瞬變的 熱沖擊和機械磨損作用,使用條件極為苛刻；同時，為實現(xiàn)自由開閉鋼流， 滑動面平整度及其板型尺寸均需嚴(yán)格要求。因此滑板必須具有高強度、 耐磨損、耐渣蝕和熱震穩(wěn)定性好等特性。2現(xiàn)有滑板的性能目前國內(nèi)廣泛使用的滑板材質(zhì)主要是鋁碳質(zhì)和鋁碳鋯質(zhì);在日本和 歐洲還有鎂碳質(zhì)、尖品石碳質(zhì)、氧化鋯質(zhì)等。表1是5種材質(zhì)滑板的成 分的理化性能。表1鋁碳質(zhì)、鋁碳錯質(zhì)、鎂碳質(zhì)、尖晶石碳質(zhì)、氧化錯質(zhì)滑

4、板的理化 性能名稱鋁碳質(zhì)鋁碳鋯質(zhì)鎂碳質(zhì)尖品石碳氧化鋯質(zhì)質(zhì)體積密度/g.cm-32.83.003.06 3.182.94 3.092.90 3.154.98 5.35顯氣孔率/%7.5 9.06.0 9.049610211耐壓強度/MPa130200150230130180160190150560抗折強度 /MPa(1400C)11 1413 1630 4530 36914熱膨脹率/%(1500C)-1.0 1.11.941.261.03化學(xué)成分%Al O 2 370 7570 7581523.7-MgO-80 9075.3-ZrO 2-710-93 97F.C12 15510353 4.50

5、2.02.1鋁碳質(zhì)滑板鋁碳質(zhì)滑板是70年代末期開發(fā)的產(chǎn)品，以燒結(jié)氧化鋁和合成莫來石 為主要原料,在基質(zhì)部分添加碳組份和防氧化劑(如金屬鋁、金屬硅、SiC、 B C、Mg-B等)，加入結(jié)合劑煤瀝青或酚醛樹脂混練成型;在還原氣氛下燒 成,形成碳結(jié)合的耐火材料。這種材質(zhì)的滑板因其組織致密，氣孔微細(xì), 且含有一定數(shù)量的殘?zhí)?鋼液和渣液難以浸漬，故耐侵蝕性良好,但其缺 點正是由于組織致密，耐熱沖擊性則有所下降，不能多次連續(xù)使用，其次， 在使用過程中，由于碳易被氧化,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疏松，降低了耐侵蝕性。2.2鋁碳錯質(zhì)滑板鋁碳錯質(zhì)滑板45是在燒成鋁碳質(zhì)滑板的基礎(chǔ)上研制開發(fā)的。這種 材質(zhì)滑板采用了低膨脹率的AlO-

6、SiO-ZrO系原料，制成以斜錯石、莫來 石、剛玉等為主品相，以碳結(jié)合為特征2的耐火材料。首先引入錯莫來石做 骨料，利用錯莫來石中的氧化錯在約1000C時發(fā)生品型轉(zhuǎn)變，伴有體積 收縮的特點，品粒內(nèi)產(chǎn)生顯微裂紋，大大改善了材料的耐熱沖擊性能。其 次ZrO具有優(yōu)良的抗侵蝕性，其耐侵蝕性較鋁碳質(zhì)滑板明顯提高,成為現(xiàn) 今大型鋼鐵企業(yè)滑板使用中的主流。2.3鎂碳質(zhì)滑板在方鎂石滑板基礎(chǔ)上發(fā)展的MgO-C質(zhì)滑板9,10,11,12,克服了方鎂石滑 板抗熱震性差的缺點。在澆鋼溫度高、時間長以及鋼水中氧和鈣含量高 的條件下，鎂碳質(zhì)滑板也都獲得了滿意的使用結(jié)果。2.4尖晶石碳質(zhì)滑板尖品石碳質(zhì)滑板采用了鎂鋁尖品石原

7、料，制成以鎂鋁尖品石為主晶 相，以陶瓷和碳復(fù)合結(jié)合為特征的耐火材料。鎂鋁尖品石材料的熱膨脹系 數(shù)和彈性模量均比氧化鎂小，抗熱沖擊能力比氧化鎂強。但尖品石材料與 鋼中鈣發(fā)生緩慢的化學(xué)反應(yīng),生成低熔點物，影響其使用壽命10?，F(xiàn)在， 通過對制造過程中原材料的改進(jìn)，并對泥料的粒度分布及燒成溫度加以 改進(jìn)和控制，鎂尖品石滑板的耐侵蝕性均有很大提高，使用壽命也明顯增 加。2.5氧化鋯質(zhì)滑板氧化鋯質(zhì)材料具有良好的耐蝕性（CaO-ZrO系液相線溫度均在 2000C以上）和耐剝落性（比較低的熱膨脹系數(shù)）。氧化鎂部分穩(wěn)定的氧化 鋯質(zhì)滑板，可以在較苛刻的澆鑄條件下使用，壽命最高可達(dá)10次口3,14,15。 采用熱壓

8、成型的氧化鋯質(zhì)滑板具有高溫強度高、顯氣孔率低、氣孔徑小 等特點。在中間包上使用,更具有耐鋼和渣的侵蝕性能。3滑板的侵蝕機理滑板用耐火材料因其結(jié)構(gòu)、用途、使用條件等不同，顯示出了不同的 損壞形式。（1）中間包用滑板與熔渣不發(fā)生相互作用；（2）中間包內(nèi)鋼水溫度比鋼包內(nèi)鋼水溫度低4080C;（3）中間包用滑動水口裝置的耐火材料預(yù)先加熱到800C左右，鑄鋼 時,使用一次的溫差是從開始的700800C全鑄鋼溫度（1520 1560C）;而鋼包滑動水口裝置的耐火材料在鑄鋼開始前僅為100C左 右,每次使用時，一個周期的溫差則是從100400C至今16001670C。這些因素都會引起鋼包用滑板和中間包用滑板

9、蝕損的形式和程度的 不同，中間包用滑板受熱震影響小，其損毀的主要原因是鋼流造成的磨損 或由于固定節(jié)流開閉時所引起的堵塞。另外，滑板還由于澆鑄的鋼種不同和澆鑄方法（模鑄或連鑄）不同，蝕 損情況和蝕損程度也各不相同。表2、表3分別為寶鋼一煉鋼鋼包和中 間包用滑板的使用條件及壽命。表2寶鋼一煉鋼鋼包滑板的使用條件及壽命澆鑄方法滑板材質(zhì)鋼種平均使用 壽命/次模鑄Al2O3-C-ZrO2高氧高錳鋼1.5鎮(zhèn)靜鋼2連鑄Al2O3-C-ZrO2鈣處理鋼2.5鎮(zhèn)靜鋼4.3表3寶鋼一煉鋼中間包滑板的使用條件及壽命鋼種滑板材質(zhì)平均使用壽命/次鈣處理鋼ZrO24鎮(zhèn)靜鋼Al2O3-C-ZrO26.5對滑板損壞過程的諸多

10、分析來看，最主要的原因有兩個方面：（1）熱 機械蝕損；（2）熱化學(xué)侵蝕。3.1熱機械蝕損滑板在使用過程中首先產(chǎn)生的是熱機械蝕損,滑板在工作前的溫度 很低,澆鑄時，滑板內(nèi)孔突然與高溫鋼水（1600C）接觸而受到強烈熱震 （溫度變化約在1400C）,因此在鑄孔外部產(chǎn)生了超過滑板強度的張應(yīng) 力，導(dǎo)致形成以鑄孔為中心的輻射狀的微裂紋。裂紋的出現(xiàn)有利于外來雜 質(zhì)的擴散、集聚和滲透,更加速了化學(xué)浸蝕。同時，化學(xué)浸蝕反應(yīng)又促進(jìn) 裂紋的形成與擴展，如此循環(huán),使滑板鑄孔逐步擴大、損毀。而且高溫鋼 水的沖刷會損傷靠近與鋼摩擦部位的耐火材料，并造成剝落、掉塊。根據(jù)Ringery熱彈性理論得出初期抗熱應(yīng)力斷裂系數(shù)R。

11、R=S(1-p )/Ea(1)龜裂一旦產(chǎn)生，并不斷擴展，這種龜裂應(yīng)力的阻力系數(shù)rst,按照 Hasslman斷裂力學(xué)理論：RsT= y (1-p )/E0a 2 1/2(2)式中S抗拉強度E彈性模量M泊松比E無龜裂時的彈性模數(shù)a0 熱膨脹系數(shù)Y 斷裂能上述兩式表明:材料熱膨脹系數(shù)和彈性模量越小,R和R數(shù)值越大， 龜裂就越難產(chǎn)生或擴展。材料的熱震穩(wěn)定性就越好。ST上述5種材質(zhì)滑板中以Al2O3-C-ZrO2質(zhì)滑板的R和Rst最大,依次是 AlO-Cl、ZrO、尖品石-C 質(zhì)和 MgO-C。策3. 2 3熱化學(xué)凌蝕熱化學(xué)浸蝕是滑板損毀的另一主要原因，滑板用耐火材料在使用過 程中接觸高溫鋼水和爐渣，

12、發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng),造成化學(xué)浸蝕。依據(jù)不 同鋼種對滑板的化學(xué)損毀機理不同，寶鋼現(xiàn)生產(chǎn)的鋼種可分為三類，即鎮(zhèn) 靜鋼、高氧高錳鋼、鈣處理鋼。再依據(jù)不同的使用條件，選擇相應(yīng)材質(zhì)的 滑板,這樣可提高滑板的使用壽命，降低耐材成本。Al2O3-C-ZrO2質(zhì)滑板由于具有優(yōu)良的抗浸蝕性和熱震穩(wěn)定性,能適應(yīng) 多種鋼種的澆鑄:最適宜用作鋼包滑板。MgO-C質(zhì)、MgO.Al O-C質(zhì)、ZrO 質(zhì)滑板的熱震穩(wěn)定性較Al O -C-ZrO質(zhì)差，適合于特殊鋼條件下作為中間 包滑板使用。根據(jù)寶鋼實踐3Al O-C-ZrO質(zhì)滑板在澆鑄鎮(zhèn)靜鋼時,作為中 間包滑板使用可實現(xiàn)多爐連澆,2是其它材質(zhì)滑板所不能及的。在寶 鋼,Al2

13、O3-C-ZrO2質(zhì)滑板的使用量約占滑板總使用量的95%以上。 TOC o 1-5 h z 由于Al O和MgO.Al O可與CaO反應(yīng)生成低熔物，因此對于鈣處理鋼, 2323宜選用MgO-C質(zhì)或ZrO2質(zhì)滑板。由于Al O3和ZrO2可與FeO反應(yīng)生成低 熔物，因此對于高氧鋼,2就選用MgO-C質(zhì)或MgO.Al O -C質(zhì)滑板。3.3 AlO -C質(zhì)滑板損毀的化學(xué)機理2 3Al 6%質(zhì)滑板和Al O -C-ZrO質(zhì)滑板化學(xué)損毀的主要原因16,17,18有:23232碳和石墨的氧化：2C(s)+O (g)=2CO(g)(3)C(s)+O2(g)=CO2(g)(4)FeO(s)+C(s)=F2e

14、+CO(g)(5)FeO+3C(s)=2Fe+3CO(g) (6)莫來石的分解：3Al O.2SiO (s)+SiO (s)+9C(s)- TOC o 1-5 h z 23,、 2,、2,、，、3AlO (s)+3SiC(s)+6CO(g)t(7)3Al2O3.2SiO (s)+2C(s)-3Al O (s) 23223+2SiO(g)t+2CO(g)t (8)3Al O.2SiO (s)+2CO(s)-3Al O (s) 23223+2SiO(s)t+2CO (g)t (9)SiO2與鋼和熔渣中的FeO、MnO反應(yīng)形成低熔點礦物相2FeO.SiO (12o5C)、MnO.SiO (1291C

15、);AO3、SiO2與鋼和熔渣中的CaO反應(yīng)形成低熔點的2CaO.Al O.Si。(13227C)和 12CaO.7Al O (1392C)。232234滑板材質(zhì)改進(jìn)方向針對Al O -C和Al O -C-ZrO質(zhì)滑板，其改進(jìn)的主要措施：23232米用無硅或低硅含量的原料；在不降低熱震穩(wěn)定性的情況下,減少碳和石墨含量；采用新型防氧化劑。寶鋼和上海永和耐火材料公司聯(lián)合研究開發(fā)的低硅Al2O3-C-ZrO2質(zhì) 鋼包滑板,1998年5月在寶鋼一煉鋼試用了 300套，平均使用壽命3.6次, 創(chuàng)歷史最好記錄。5今后的研究和發(fā)展方向從我國高效連鑄和超純凈鋼發(fā)展的需要出發(fā),結(jié)合我國的資源和實 際,應(yīng)努力提高

16、滑板的使用壽命，開發(fā)澆鑄不同鋼種的滑動水口，開發(fā)滑 板的再生技術(shù)，其研究和發(fā)展方向初步建議如下：加強對新型材質(zhì)滑板的研究，如鎂質(zhì)滑板、氧化鋯質(zhì)滑板和金屬 結(jié)合滑板口9,20等的研究；應(yīng)用有限元分析理論01,22研究新型復(fù)合滑板不同材質(zhì)部分的熱 膨脹不匹配問題、溫度場和熱應(yīng)力分布問題；進(jìn)一步研究高效防氧化劑，如Mg-B合金等;(4 )研究生產(chǎn)無碳或低碳滑板，澆注超低碳鋼。聯(lián)系人:金叢進(jìn),工程師，上海市(200941)寶山鋼鐵集團公司煉鋼廠作者單位：金叢進(jìn) 邱文冬 寶山鋼鐵集團公司孫加林洪彥若北京科技大學(xué)參考文獻(xiàn) 1成瀨、余市等.含氧化鋯碳結(jié)合滑動水口的性質(zhì)及使用性能.國外耐火 材料，1985,(

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