1、钢包水口与滑板培训教材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、尖晶石碳质、氧化锆质等。表 5-1 是 5 种材质滑板的成分的理化性能。表 5-1 铝碳质、铝碳锆质、镁碳质、尖晶石碳质、氧化锆质滑板的理化性能名 称 铝碳质 铝碳锆质 镁碳质尖晶石碳质氧化锆质体积密度/g .cm-32.83.003.063.182.943.092.903.154.985.35显气孔率/% 7.59.0 6.09.0 49 610 211耐压强度/MPa 130200 150230130180160190150560抗折强度/MPa(1400)1114 1316 3045 3036
2、 914热膨胀率/%(1500)- 1.01.1 1.94 1.26 1.03化学 Al2O3 7075 7075 815 23.7 -成分 MgO - - 8090 75.3 -% ZrO2 - 710 - - 9397F.C 1215 510 35 34.5 02.0一、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 4C、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 3 。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
3、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。二、铝碳锆质滑板铝碳锆质滑板 48 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 Al2O3-SiO2-ZrO2系原料,制成以斜锆石、莫来石、刚玉等为主晶相,以碳结合为特征的耐火材料。首先引入锆莫来石做骨料,利用锆莫来石中的氧化锆在约 1000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 ZrO2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
4、用中的主流。三、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。四、尖晶石碳质滑板尖晶石碳质滑板采用了镁铝尖晶石原料,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 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,镁尖晶石滑板的耐侵蚀性均有很大提高
5、,使用寿命也明显增加。五、氧化锆质滑板氧化锆质材料具有良好的耐蚀性(CaO-ZrO 2系液相线温度均在 2000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 13,14,15 。采用热压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。六、滑板的侵蚀机理1、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 4080；(3)中间包用滑动水口装置的耐火材料预先加热到
6、800左右,铸钢时,使用一次的温差是从开始的 700800至铸钢温度(15201560);而钢包滑动水口装置的耐火材料在铸钢开始前仅为 100左右,每次使用时,一个周期的温差则是从 100400至今 16001670。这些因素都会引起钢包用滑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 5-2 宝钢一炼钢钢包滑板的使用条件及寿命浇铸 平均使用方法滑板
7、材质 钢 种寿命/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 5-3 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 ZrO2 4镇静钢 Al2O3-C-ZrO2 6.5对滑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。2、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)接触而受到强烈热震(温度变化约在1400),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
8、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。R=S(1-)/E (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=(1-)/E 0 2 1/2 (2)式中 S抗拉强度E弹性模量泊松比E 0无龟裂时的弹性模数热膨胀系数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
9、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 Al2O3-C-ZrO2质滑板的 R 和 RST最大,依次是 Al2O3-Cl、ZrO 2、尖晶石-C 质和 MgO-C。3、热化学浸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,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。Al 2O3-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
10、作钢包滑板。MgO-C 质、MgO .Al2O3-C 质、ZrO 2质滑板的热震稳定性较 Al2O3-C-ZrO2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 Al2O3-C-ZrO2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,Al 2O3-C-ZrO2质滑板的使用量约占滑板总使用量的 95%以上。由于 Al2O3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 ZrO2质滑板。由于 Al2O3和 ZrO2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.Al2
11、O3-C 质滑板。4、Al 2O3-C 质滑板损毁的化学机理Al 2O3-C 质滑板和 Al2O3-C-ZrO2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)+O 2(g)=2CO(g) (3)C(s)+O 2(g)=CO2(g) (4)FeO(s)+C(s)=Fe+CO(g) (5)Fe 2O3+3C(s)=2Fe+3CO(g) (6)(2)莫来石的分解:3Al 2O3.2SiO2(s)+SiO2(s)+9C(s)3Al 2O3(s)+3SiC(s)+6CO(g) (7)3Al 2O3.2SiO2(s)+2C(s)3Al 2O3(s)+2SiO(g)+2CO
12、(g) (8)3Al 2O3.2SiO2(s)+2CO(s)3Al 2O3(s)+2SiO(s)+2CO 2(g) (9)(3)SiO 2与钢和熔渣中的 FeO、MnO 反应形成低熔点矿物相2FeO.SiO2(1205)、MnO .SiO2(1291);(4)Al 2O3、SiO 2与钢和熔渣中的 CaO 反应形成低熔点的2CaO.Al2O3.SiO2(1327)和 12CaO.7Al2O3(1392)。七、滑板材质改进方向针对 Al2O3-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
13、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。八、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、氧化锆质滑板和金属结合滑板 19,20 等的研究;(2)应用有限元分析理论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;(4)研究生产无碳或低碳滑板,浇注超低碳钢。思考题1、动水口机构主要技术特点？2、动水口机构原理？3、滑板的种类及特点？4、滑板材质改进方向是什么？5、Al 2O3-C 质滑板损毁的化学机理是什么？
