滑板的研究现状和趋势

滑板的研究现状和趋势张珂中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司摘要滑板作为滑动水口系统中的关键部件，使用条件极为苛刻，其性能的好坏直接影响到连铸过程中对钢水的控制以及连铸坯的质量。

如何提高滑板的性能和使用寿命成为一个研究热点。

文章总结了近年来有关滑板的研究工作，从材质和使用两方面对研究现状加以总结，并对研究的趋势作了展望。

关键词滑板材质使用趋势前言滑动水口是炼钢连铸设备的重要部件，性能的好坏将直接影响到连铸过程钢水的控制，连铸坯的质量以及对钢水的污染等。

随着连铸技术的推广，人们对滑动水口在可靠性和长寿化方面提出了更高的要求。

滑板是滑动水口系统中极为关键的构件，滑板的使用条件十分特殊，具体有：(1)需长时间与高温钢水接触；(2)在满足不同浇铸工艺要求的条件下，需反复经受钢水的化学侵蚀和物理冲刷；(3)需承受高温钢水剧烈的热冲击与开闭时滑板间的机械磨损等。

因此，要求滑板必须具有高的强度与较好的抗热冲击性、抗侵蚀性、抗磨损性等，而且对滑板表面的平整度、平行度及尺寸等均有严格的技术要求。

关于滑板技术的研究较多，主要的研究热点有滑板的材质、滑板的热机械性能、低成本滑板生产工艺技术、滑板的形状结构、滑板的修补技术与滑板滑道面的润滑等。

本文将从滑板的材质和滑板的使用两方面对现有的研究情况作一概括，探讨提高滑板性能和使用寿命的一些思路。

1滑板的材质1.1高铝质滑板最初开发的滑板是以烧结氧化铝和合成莫来石为主要原料，粘土作结合剂，经高压成型，高温烧成，形成以刚玉、莫来石为主晶相的高铝质滑板。

高铝质滑板首先采用合成原料，具有一定的抗侵蚀性和抗热冲击性。

这种滑板一般通过浸渍沥青，提高致密度，提高砖内残碳含量来提高抗渣侵蚀能力。

同类型的还有在此基础上开发的刚玉—氧化铬质滑板，通过加入氧化铬可以提高抗侵蚀性。

高铝质滑板制作工艺简单，成本低，具有一定的抗热震性和强度，可满足一般钢种的浇铸，但是使用寿命较短，一般只能用一次。

另外高铝质滑板在浸渍沥青后，由于焙烧温度低，使用中有冒烟污染作业环境等缺点，现在已经不再对此类滑板进行研究。

1.2 Al2O3-(ZrO2-)C系列滑板铝炭质滑板是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，在基质部分添加炭素组分和防氧化剂(如金属铝、金属硅、SiC、B4C等)，用沥青或酚醛树脂作为结合剂，混炼成型，在还原气氛下烧成，形成炭结合的耐火材料。

铝炭质滑板分为不烧铝炭质滑板和烧成铝炭质滑板，烧成铝炭质滑板的热态强度和耐磨损性均高于不烧铝炭质滑板。

铝炭质滑板因组织致密，气孔微细，且含有一定数量的残碳，钢液和渣液难以润湿，故抗侵蚀性优良。

但其缺点是在使用过程中，由于炭被氧化，导致滑板结构疏松，损毁加剧；其次，由于组织致密，抗热冲击性有所下降，多次连续使用中的开裂和滑动面磨损是制约其寿命提高的关键。

八十年代后期，为进一步提高滑板的使用寿命，又在烧成铝炭质滑板的基础上，研制开发了铝锆炭质滑板。

这种材质滑板采用了低膨胀率的A1203-SiO2-ZrO2系原料，制成以斜锆石、莫来石、刚玉等为主晶相，以炭结合为特征的耐火材料。

控制ZrO2加入量，利用ZrO2在升温和冷却时发生晶型转变（升温时，从1170℃开始，发生晶型转变（m-ZrO2→c-ZrO2），伴随体积收缩；冷却时，晶型转变（c-ZrO2→m-ZrO2）始于1000～850℃之间，伴随体积膨胀，体积变化量为 3.25%），伴有体积变化的特点，使材料内产生微裂纹，吸收引起裂纹扩展的应力，从而大大改善了材料的抗热震性能。

ZrO2还具有优良的抗渣侵蚀性，使其较前两种滑板耐侵蚀性明显提高。

此外采用板状刚玉做原料，由于其晶体内含有较多分布均匀的微气孔，这种结构提高了材料的抗热冲击性，从而也使滑板的抗开裂性能得到改善。

铝炭和铝锆炭是现在滑板的主流材质，国内就提高这两种滑板的性能和使用寿命进行了大量研究。

石干、岳卫东、李明[1]等研究了刚玉类型对铝锆炭材料性能的影响，测试了分别使用致密刚玉、白刚玉和板状刚玉为原料的铝锆炭试样的各项性能。

试验数据说明，致密刚玉试样更致密一些，与板状刚玉一样，具有较高的常温强度，而白刚玉配制的试样强度较低；高温抗折强度以板状刚玉试样为最高；致密刚玉试样具有较好的抗渣性，但抗热震性不如板状刚玉试样和白刚玉试样，综合评定得出利用致密刚玉作为铝锆炭材质滑板的骨料成分，效果最佳。

从试验数据来看几种试样性能的差别并不明显，说明骨料对滑板性能的影响并不直接，而造成滑板性能差别显著的主要因素在于基质性能的差别。

但是采用更优质的骨料组分无疑是提高滑板性能的前提。

邵容丹、张文杰、顾华志[2]等研究了超细炭素原料对铝锆炭材料性能及微孔结构的影响，通过在高温下原位生成具有高强度和大的长径比的SiC晶须，来提高材料的强度和抗热震性能。

对比了三种不同粒度炭素材料的作用，随着炭素材料粒度的不断减小，可以更好的生成质量较好的SiC晶须，起到增强、增韧的作用。

SEM分析表明，生成的SiC晶须填充在材料的气孔里，减小了气孔体积，改善了孔径分布，增加了材料的致密度，也可以提高材料的抗侵蚀性。

试验选用了两种纳米级的炭素材料，因为具有较大的表面活性，可以改善和优化材料的结合系统。

李亚伟、王安杰、金胜利[4]等研究了不同热处理温度对有机硅树脂结合不烧铝炭滑板性能的影响。

以板状刚玉、石墨、Al粉、Si粉和B4C为主要原料，有机硅树脂作结合剂制备了不烧滑板试样。

研究了在空气中先经240℃ 24h热处理，然后分别于400℃、600℃、800℃、1000℃、1350℃和1450℃保温3h处理后试样的烧结性能、物相组成和显微结构等的变化规律。

结果表明，热处理温度对有机硅树脂结合不烧铝炭滑板的性能影响显著。

随着温度的升高，在600℃以前试样质量损失明显，显气孔率增大，常温耐压强度较低；在800～1000℃，试样体积密度增加，常温耐压强度达到最大值；温度继续升高，体积密度和常温耐压强度又变为下降趋势，试样发生明显的质量增加和体积膨胀现象。

热处理温度为800～1000℃之间,得材料性能最好。

通过对试样进行物相分析和显微结构分析也证实了这一点，800℃以前有机硅树脂裂解产生质量损失，使内部结构疏松；800～1000℃，边缘部分B4C、Al、Si优先氧化，生成须状Al2O3和针状硼酸铝，有利于边缘部位骨料与基质结构的紧密结合，试样内部也局部生成了柱状氮化物；高于1000℃时，试样中石墨大量氧化而留下很多气孔，Al、Si等氧化反应剧烈，使试样内部结构松散。

李有奇[5]等结合铝炭质滑板的氧化行为和抗氧化要求，分别介绍了抗氧化剂技术和抗氧化涂层技术。

抗氧化剂技术是迄今提高铝炭滑板材料抗氧化性的较为成熟的技术，其作用原理大致可分为两个方面：一方面，从热力学观点出发，选择与氧的结合力比碳和氧结合力大的添加剂，这些添加剂优先于碳和氧发生反应从而起到保护碳的作用；另一方面，从动力学观点考虑添加剂与氧气或碳反应生成的化合物改变了材料的显微结构，如增加了材料的致密度、堵塞了气孔、阻碍了氧及反应物的扩散等。

现在比较经济而有效的抗氧化剂主要有易氧化的金属，二元或者多元组分合金，如金属Al粉、Si粉、Al-Si合金粉，碳化物和硼化物等。

抗氧化剂的添加形式以复合添加为主流，这样能够使各种抗氧化剂之间取长补短，起到更好的抗氧化效果。

文献[9]中，试验了三种常用的抗氧化剂Al粉、Si粉、SiC粉，结论显示，减少强化组织结合的Al量，增加高温时防氧化效果高的Si含量和低温时防氧化效果高的B4C含量，对于延迟氧化是比较好的，并可通过试验确定最佳加入量。

抗氧化涂层技术是将含炭材料与外部的氧化性气氛隔离，形成较好的屏蔽作用。

涂层必须满足一些基本要求，如氧气渗透率低，与基体材料结合良好，具有良好的化学和物理相容性，好的抗冲蚀、耐磨性、抗热震性等。

还可针对石墨原料本身，进行改性处理，从而起到抗氧化作用，这些方向均有诸多研究，取得了比较好的使用效果。

铝炭材料抗氧化性研究的重点还将是开发新型高效的抗氧化剂和低消耗、方便、高效的涂层技术。

刘国齐、王金相[6]等研究了Si粉和Al粉对N2保护热处理的铝炭材料性能和显微结构的影响，从改善工艺上为提高含炭材料性能提供了新的途径。

把添加了Si 粉和Al粉的铝炭试样在N2气氛下，1200℃热处理5h，测定热处理前后的质量变化率、抗折强度、体积密度、显气孔率、抗热震性和抗氧化性。

结果显示，N2保护也可防止C氧化；与添加Si粉的试样相比，添加Al粉的试样热处理后具有较高的高温强度和较低的热膨胀系数；反应生成的Al2O C和AlN可以起到提高强度和抗热震性的作用，减少了埋碳烧成时生成的Al4C3严重水化的现象；部分Si在N2中生成纤维状的β-SiC、Si x N和粒状的Si2N2O，对铝炭材料具有明显的增强作用。

文献[7]中，提出了添加金属铝的轻烧滑板出现异常龟裂的问题，其损毁原因经调查是由于材质的热膨胀率高和装入钢水时发生了烧结，应力集中于水口孔周围所致，为此，应用低膨胀性原料并增加炭添加量，通过减小该材质的膨胀率和弹性模量，提高导热能力来改善滑板的抗热震性。

所得制品高温强度高于烧成型材质，经实际使用，损毁得到改善，耐热震性优于烧成品。

文献[8]根据Hasselman 理论和Griffith理论指出控制制品内部裂纹成核是提高材料抗热冲击性能的关键。

耐火制品的抗热冲击性能主要由三方面因素决定：一、热冲击程度，即变温程度、热移动条件及其随温度变化的条件f(t)；二、耐火制品本身性质——热膨胀率、热导率、弹性、模量、泊松比、热容等基本物理性能；三、制品的几何形状，这也是通常提高耐火制品耐热震性的试验思路。

1.3低硅低碳系列滑板铝锆炭滑板在一般钢种上使用时具有优良的抗热震性、高温抗磨损性和抗渣侵蚀性能，但在浇注钙处理钢时表现出明显的不适应，主要原因是传统铝锆炭滑板所用主要原料锆莫来石中的SiO2在高温下会与Al2O3、CaO反应形成黄长石类低熔物，滑板中的Al2O3也会和钢水中的FeO、MnO等反应生成低熔点化合物，导致滑板损毁严重[10]。

此外，含炭材料在高温使用过程中由于炭的氧化而造成组织破坏，使侵蚀加剧，而且会对钢水增碳，不利于洁净钢的冶炼。

为此开发了很多新型的低硅低碳系列滑板来代替传统的铝炭和铝锆炭质滑板，主要有以镁质滑板为代表的碱性滑板，含金属和一些非氧化物的复合材质滑板等，通过引入抗碱性渣侵蚀能力强的材质来提高滑板的抗侵蚀性，从而提高滑板的使用寿命，这也是现今滑板研究的一个热点。

王瑞生、于之东、杨晓春等 [11]针对传统的以锆莫来石为原料的铝锆炭滑板中SiO2含量较多，在浇铸钙处理钢时侵蚀严重的问题，采用部分稳定ZrO2（PSZ）代替锆莫来石原料，加入板状刚玉、活性α-Al2O3、炭黑、Si粉、B4C粉和热固性酚醛树脂，制成了低硅铝锆炭滑板，并测定了试样的各种性能参数，对比了不同烧成温度对低硅铝锆炭滑板性能的影响。