耐火滑板砖

1 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［1］。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。［2］。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、尖晶石碳质、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、铝碳锆质、镁碳质、尖晶石碳质、氧化锆质滑板的理化性

能

2.1 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、

4 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 铝碳锆质滑板

铝碳锆质滑板［4～8］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Al

2O

3

-SiO

2

-ZrO

2

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ZrO

2

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,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

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［15］。

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40～80℃;

(3)中间包用滑动水口装置的耐火材料预先加热到800℃左右,铸钢时,使用一次的温差是从开始的700～800℃至铸钢温度(1520～1560℃);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100～400℃至今1600～1670℃。

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2 宝钢一炼钢钢包滑板的使用条件及寿命

表3 宝钢一炼钢中间包滑板的使用条件及寿命

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。

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(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-μ)/Eα(1)

龟裂一旦产生,并不断扩展,这种龟裂应力的阻力系数R

,按照

ST

Hasslman断裂力学理论:

R sT =［γ(1-μ)/E

α2］1/2(2)

式中S——抗拉强度

E——弹性模量

μ——泊松比

E

——无龟裂时的弹性模数

α——热膨胀系数

γ——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

ST

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。

上述5种材质滑板中以Al

2O

3

-C-ZrO

2

质滑板的R和R

ST

最大,依次是

Al

2O

3

-Cl、ZrO

2

、尖晶石-C质和MgO-C。

3.2 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

2O

3

-C-ZrO

2

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

2O

3

-C质、ZrO

2

质滑

板的热震稳定性较Al

2O

3

-C-ZrO

2

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Al

2O

3

-C-ZrO

2

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

2O

3

-C-ZrO

2

质

滑板的使用量约占滑板总使用量的95%以上。

由于Al

2O

3

和MgO.Al

2

O

3

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ZrO

2质滑板。由于Al

2

O

3

和ZrO

2

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.Al

2O

3

-C质滑板。

3.3 Al

2O

3

-C质滑板损毁的化学机理

Al

2O

3

-C质滑板和Al

2

O

3

-C-ZrO

2

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)=CO

2

(g) (4)

FeO(s)+C(s)=Fe+CO(g) (5)

Fe

2O

3

+3C(s)=2Fe+3CO(g) (6)

(2)莫来石的分解:

3Al

2O

3

.2SiO

2

(s)+SiO

2

(s)+9C(s)→

3Al

2O

3

(s)+3SiC(s)+6CO(g)↑(7)

3Al

2O

3

.2SiO

2

(s)+2C(s)→3Al

2

O

3

(s)

+2SiO(g)↑+2CO(g)↑(8)

3Al

2O

3

.2SiO

2

(s)+2CO(s)→3Al

2

O

3

(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.SiO

2(1205℃)、MnO.SiO

2

(1291℃);

(4)Al

2O

3

、SiO

2

与钢和熔渣中的CaO反应形成低熔点的