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北京航天航空大學發表淺談滑板制作中耐火材料

來源:職稱論文發表指導網 作者:職稱論文 發布時間:
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   摘要:目前國內外滑板材料的材質主要以A1203-C、A1203-Zr02-C、A1203-Si02、MgO及MgO-MA質為主,國內廣泛使用的滑板材質為A1203-C質和A1203-Zr02-C質。近年來出現的關于塞隆結合剛玉質滑板、金屬-氮化物

  目前國內外滑板材料的材質主要以A1203-C、A1203-Zr02-C、A1203-Si02、MgO及MgO-MA質為主,國內廣泛使用的滑板材質為A1203-C質和A1203-Zr02-C質。近年來出現的關于塞隆結合剛玉質滑板、金屬-氮化物結合滑板的研究報道,也獲得了不錯的使用效果。

  1鋁碳質滑板

  鋁碳滑板是上世紀80年代在日本首先研發成功的,它是以氧化鋁基原料(各種剛玉或剛玉莢來石)和碳素原料(石墨、石油焦和碳黑等)為主要原料,添加少量的防氧化劑(金屬、合金、碳化物等),以酚醛樹脂為結合劑,經燒(或不燒)、浸漬,干溜等工藝加工而成的[2,3]。高溫燒成可形成兩種結合方式:陶瓷結合和碳結合。這種復合結合方式可使滑板具有較好的高溫機械性能,浸漬則降低了其氣孔率和氣孔直徑,由于碳的存在改善了其抗熱震性和抗侵蝕性能[4]。

  鋁碳質滑板的優點是具有良好的熱震穩定性和抗渣侵蝕性,因而廣泛應用于連鑄工藝中的滑板、水口等部位。但傳統的鋁碳制品在熱處理和實際使用過程中,由于碳的氧化和結合劑的水解及高溫鋼水的物理沖刷和化學侵蝕,導致材料強度急劇降低,影響了材料的使用壽命。

  為提高產品強度,延長其使用壽命,學者們[5,6]主要從提高材料的抗氧化性方面來進行研究和改善。多采用的方法是:將易在高溫下氧化的碳材料用防氧化劑來緩解或阻止碳的氧化或者采取一些方法將碳與氧化環境隔離。緩解氧化的方法可以通過添加抗氧化劑來實現。常用的氧化劑有金屬及單質添加劑(Al、Si、Al-Si合金等)、非金屬化合物添加劑和復合添加劑。

  添加抗氧化劑技術在工藝上相對較為容易實現,也是至今對鋁碳質滑材料抗氧化性能研究最為成熟的技術。經研究表明[5],硅的加入能明顯提高滑板抗氧化性,在0%~7%的范圍內,加入量越大,抗氧化效果越好。將硅鋁合金粉加入鎂碳耐火材料中,在1400下可達到較好的體積密度、常溫耐壓強度及高溫抗折強度[7]。鋁鎂合金粉加入含碳的MgO-C磚中能大大提高其抗氧化性能,且隨合金粉的加入量的增加,磚的抗氧化層厚度減小,在加入量為4%時材料的性能達到最優。非金屬添加劑中,B4C作為含碳材料的抗氧化劑研究和使用是最早的,SiC也是用較多的非金屬添加劑。有學者[8]針對防止氧化效果好的Al粉、Si粉、SiC粉三種原料,采用實驗計劃的方法研究了防止氧化的最佳添加量,發現:減少強化組織結合的Al量,增加高溫時防止氧化效果高的Si量和低溫時防止氧化效果高的B4C量,對于延遲氧化是非常有效的。另外還有CaB6、Ma-B、ZrB2、TiB2等,也均取得了一定的進展[9,10]。

  根據不同防氧化劑在不同溫度下所起的作用,可以添加兩種或兩種以上的抗氧化劑,借助其優勢互補,提高材料在各個溫度區間的整體抗氧化效果。通過研究復合抗氧化劑對材料抗氧化性能的影響[11],結果表明,如果以合適的配比同時添加金屬Al粉和B4C,可以獲得比單獨添加抗氧化劑更好的抗氧化性及高溫使用性能。張學勤[12]等研究了添加金屬Al、Si、B4C對鋁碳質耐火材料抗氧化性能的影響,結果表明,可有效提高材料的抗氧化性能并改善材料的其他使用性能。一系列研究結果表明,防氧化劑的復合添加劑添加能夠取得更優于單獨添加的使用效果。

  2鋁鋯碳質滑板

  燒成鋁鋯碳質滑板是迄今為止應用較為廣泛的一種滑板,它是在鋁碳滑板的基礎上,通過添加低膨脹性的鋯莫來石以及具有優良的抗侵蝕性能的鋯剛玉或氧化鋯而制成的,是A1203-C滑板的延伸。

  鋁鋯碳質滑板的優點是具有良好的抗侵蝕性,高的抗熱震性和抗剝落性。但產品易由于熱應力作用而形成各種裂紋,使得產品使用壽命受到影響。

  為了提高滑板的使用壽命,多采用低的膨脹系數的材料,如提高碳含量。但隨著碳量的增加,滑板被氧化的危險性增大,一旦制品被氧化,制品的抗沖刷和抗侵蝕能力降低;在配料中提高莫來石含量也能提高制品的抗熱震穩定性,但隨著莫來石含量的提高,SiO2也相應提高,滑板的抗侵蝕能力下降。而最理想的方法是在配料中加入鋯莫來石。

  金勝利等人[13]研究了在埋碳氣氛下,燒成鋁鋯碳滑板中添加的金屬鋁與保護氣氛中的N2、CO、CO2等發生反應的情況,得出結論:當保護氣氛中的CO2含量和燒成溫度過高時,滑板中形成的氮化鋁相會更多,滑板水化的可能性會更高。在實際生產中,采用金屬鋁和單質硅作復合添加劑時,應嚴格控制鋁粉的添加量和燒成制度,從而避免鋁鋯碳滑板燒成后發生強度下降或粉化現象。黃麗香等[14]人在鋁鋯碳滑板的生產過程中,調整了ZrO2的加入量為3%~6%,添加了復合抗氧化劑,使滑板具用較高的強度和抗氧化性能,提高了滑板的使用壽命。另外,日本住友金屬工業公司鹿島制鐵所第一煉鋼廠[15]為了提高鋼包用A1203-ZrO2-C質滑板的壽命和降低成本,采取了孔徑小徑化、改善材質、2塊板和改進形狀的方法,也明顯提高了滑板的壽命,降低了成本。

  3金屬復合滑板

  鋁碳和鋁鋯碳質滑板是當前國內外普遍采用的滑板。Al203-C及A1203-Zr02-C滑板具有一系列優越性能,如:優良的抗侵蝕性能、抗熱震性、高溫結構強度,是近年來最具代表性的滑板材料。但是對一些高侵蝕性鋼種,如Ca處理鋼、Al-Si鎮定鋼、高氧鋼等鋼種,采用鋁碳或鋁鋯碳滑板侵蝕嚴重,使用壽命顯著下降。普通鋁碳滑板澆鑄高氧鋼時,發生碳的氧化及FeO、MnO等滲入對A12O3的侵蝕;澆鑄高鈣鋼時,CaO會與A12O3,反應生成A1203-CaO低熔點物,造成侵蝕嚴重。因此改善滑板材質,從材質設計上更大限度地解決含碳滑板的氧化和抗熱震性,進一步提高滑板的使用壽命和安全性是研究者共同關注的問題。

  有學者[16,17]以板狀剛玉和金屬鋁粉為主要原料制備了金屬一氮化物結合剛玉滑板,研究了其結構與性能,取得了優良的抗鋼液侵蝕性能。徐香汝等人[18]以板狀剛玉、鋯剛玉和金屬鋁為主要原料,采用1000℃ 高溫氮化反應燒結工藝,制得以金屬鋁和A1N為結合相、以剛玉和斜鋯石為主晶相的A1-AIN-A1203-ZrO2-C復相結合材料,以其作為材質制得鋼包滑動水口的滑板,具有較好的抗鋼液侵蝕、抗熱震以及抗渣侵性能,取得了良好的應用效果。

  4滑板用耐火材料的發展趨勢

  連鑄技術的發展,離不開連鑄用功能性耐火材料(滑板等)的不斷進步。當前,滑板用耐火材料的研究動向主要集中在如何滿足鈣處理鋼及高氧鋼的澆鑄要求上,隨著高效連鑄、近終型連鑄技術的發展,要求滑板材質不斷低硅、低碳、復合材料改性的方向發展。同時,為節約能源、保護環境,適當簡化生產工藝,降低材料的燒成溫度也是滑板用耐火材料的發展方向之一。

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