滑板用耐火材料的发展

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 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耐

3、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锆质;在日本和 欧洲还有镁碳质、尖品石碳质、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、铝碳错质、镁碳质、尖晶石碳质、氧化错质滑

4、板的理化 性能名称铝碳质铝碳锆质镁碳质尖品石碳氧化锆质质体积密度/g.cm-32.83.003.06 3.182.94 3.092.90 3.154.98 5.35显气孔率/%7.5 9.06.0 9.049610211耐压强度/MPa130200150230130180160190150560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%Al O 2 370 7570 7581523.7-MgO-80 9075.3-ZrO 2-710-93 97F.C12 15510353 4.50

5、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。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铝碳错质滑板铝碳错质滑板45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AlO-

6、SiO-ZrO系原料，制成以斜错石、莫来 石、刚玉等为主品相，以碳结合为特征2的耐火材料。首先引入错莫来石做 骨料，利用错莫来石中的氧化错在约1000C时发生品型转变，伴有体积 收缩的特点，品粒内产生显微裂纹，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尖晶石碳质滑板尖品石碳质滑板采用了镁铝尖品石原

7、料，制成以镁铝尖品石为主晶 相，以陶瓷和碳复合结合为特征的耐火材料。镁铝尖品石材料的热膨胀系 数和弹性模量均比氧化镁小，抗热冲击能力比氧化镁强。但尖品石材料与 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，镁尖品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 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次口3,14,15。 采用热压

8、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。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）中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全铸钢温度（1520 1560C）;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100400C至今16001670C。这些因素都会引起钢包用滑板和中间包用滑板

9、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Al2O3-C-ZrO2高氧高锰钢1.5镇静钢2连铸Al2O3-C-ZrO2钙处理钢2.5镇静钢4.3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对滑板损坏过程的诸多

10、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（1600C）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抗热应力断裂系数R。

11、R=S(1-p )/Ea(1)龟裂一旦产生，并不断扩展，这种龟裂应力的阻力系数rst,按照 Hasslman断裂力学理论：RsT= y (1-p )/E0a 2 1/2(2)式中S抗拉强度E弹性模量M泊松比E无龟裂时的弹性模数a0 热膨胀系数Y 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。ST上述5种材质滑板中以Al2O3-C-ZrO2质滑板的R和Rst最大,依次是 AlO-Cl、ZrO、尖品石-C 质和 MgO-C。策3. 2 3热化学凌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，

12、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。Al2O3-C-ZrO2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 O-C质、ZrO 质滑板的热震稳定性较Al O -C-ZrO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3Al O-C-ZrO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,2是其它材质滑板所不能及的。在宝 钢,Al2

13、O3-C-ZrO2质滑板的使用量约占滑板总使用量的95%以上。 TOC o 1-5 h z 由于Al O和MgO.Al O可与CaO反应生成低熔物，因此对于钙处理钢, 2323宜选用MgO-C质或ZrO2质滑板。由于Al O3和ZrO2可与FeO反应生成低 熔物，因此对于高氧钢,2就选用MgO-C质或MgO.Al O -C质滑板。3.3 AlO -C质滑板损毁的化学机理2 3Al 6%质滑板和Al O -C-ZrO质滑板化学损毁的主要原因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)莫来石的分解：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与钢和熔渣中的FeO、MnO反应形成低熔点矿物相2FeO.SiO (12o5C)、MnO.SiO (1291C

15、);AO3、SiO2与钢和熔渣中的CaO反应形成低熔点的2CaO.Al O.Si。(13227C)和 12CaO.7Al O (1392C)。232234滑板材质改进方向针对Al O -C和Al O -C-ZrO质滑板，其改进的主要措施：23232米用无硅或低硅含量的原料；在不降低热震稳定性的情况下,减少碳和石墨含量；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Al2O3-C-ZrO2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

16、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：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 结合滑板口9,20等的研究；应用有限元分析理论01,22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；进一步研究高效防氧化剂，如Mg-B合金等;(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成濑、余市等.含氧化锆碳结合滑动水口的性质及使用性能.国外耐火 材料，1985,(

17、10):472王守权译.钢铁工业用耐火材料最新动向(3).国外耐火材料，1994,(12):23刘太复、李运兴.铝炭滑板残砖的形貌分析.耐火材料，1989,(2): 334王天仇.铝碳锆质滑板的生产工艺和应用.耐火材料，1992,(26(4):2075 Tetsuro fushimi. Alumina carbon slide gate plates. Taikabutsu overseas, 1996,16(4):136刘新或、孙庚辰、钟香崇.炉渣对Al O -SiO-ZrO -C系材料的侵蚀. ,、2 322耐火材料，1989,(5):17张文杰、汪厚植等.结合剂及工艺条件对铝锆碳滑板性能

18、的影响.耐火 材料，1992,26(3):1358杨开保、张文杰、皮波.加入锆莫来石及特殊炭对烧成铝碳滑板性能 的影响.耐火材料，1994,28(1):389王福成译.滑动水口用镁质滑板的生产.国外耐火材料，1994,(9):3810廖建国译.浇铸Ca合金处理钢用MgO-C质滑板.国外耐火材料，1998,(4):2111刘素健译.Ca处理钢用镁一尖品石质滑板的开发.国外耐火材 料，1995,(11):57Shintaro Sudo et al. Improvements in Tundish sliding nozzle plates for highoxygen steel casting. Taikabutsu overseas, 1996,16(2):43U.Hintzen等.滑动水口耐火材料的选择及其使用