陶瓷材料在冶金生产中的应用

陶瓷材料在冶金生产中的应用

摘要：冶金生产一般都离不开高温高腐蚀性环境，陶瓷材料具有高熔点、耐腐蚀、导热性低于金属材料等关键特点，因此能够在冶金生产过程中发挥自身很大的优势，不仅能增长冶金设备的使用寿命，降低热能耗损，而且陶瓷材料本身原料来源简单，在冶金形势不好的现在，能为冶金生产节省大量成本。

关键词：陶瓷材料、冶金

1. 前言：陶瓷在人类生产进程中已有数千年的历史，是现代建设和生活中不可缺少的一种材料。陶瓷是用天然或人工合成的无机粉状物料，经过成型和高温烧结而制成的一种多相固体材料，不同的相及不同的组分决定了陶瓷材料的性能，如高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、导电、绝缘、半导体、超导、化学稳定性等。正是这些优良的性能，陶瓷能广泛应用于航空航天、机械、电子、化工、能源、环境工程等领域中，也正是这些优良性能的陶瓷能在冶金工业中发挥巨大的作用。

2.陶瓷在钢铁工业在的应用

1）.陶瓷结晶器

在钢铁生产最后阶段轧制阶段，连铸新装备-全陶瓷结晶器被入2006年全球钢铁工业10大技术要闻之一。应用于钢铁行业的全陶瓷结晶器，是在结晶器的各面均覆盖陶瓷，其使用寿命是传统结晶器的2倍，并获得了铸坯宽面划痕消除和拉漏报警次数减少的改效。虽然结晶器表面覆有陶瓷，但陶瓷对凝固组织并没有影响，除了大大降低维修费用、提高结晶器使用寿命和铸坯质量外，生产率也得到了提高。康力斯公司还在奥托昆普公司设菲尔德厂的单流板坯连铸机上进行了不锈钢的试验，结果表明结晶器的使用寿命提高了7倍，能减少甚至消除边部缺陷，在结晶器使用期间不需要调整窄板的梯度，不仅减少了结晶器的磨损，还可获得极佳的板坯形状。

2）.陶瓷过滤器

多孔陶瓷是一种新型陶瓷，按其气孔在空间的分布，可分为蜂窝陶瓷和泡沫陶瓷2类。多孔陶瓷的显著特点是气孔率高，而且气孔表面、形态、大小及

其分布可调节，气孔率可高达90%，气孔孔径从毫米级至纳米级同传统的多孔

材料相比，多孔陶瓷还具有耐高温、耐腐蚀、抗热震性、孔径分布均匀且狭窄、成本低、使用寿命长等优点。多孔陶瓷对节省资源、节约能源、减少废弃物排

放量以及构建“循环型社会”有举足轻重的作用，并广泛地应用于许多领域。

金属中夹杂物的数量、形状、分布、大小等均对材料的强度、塑性和韧性

有重大影响，因此，研究和开发使用高效的金属净化就去，以提高其综合性能

备受世人重视。大量研究表明，用多孔陶瓷过滤器过滤金属液可显著去除金属

中的夹杂物和气体等，提高金属的内在质量。

提高钢液纯净度是提高钢材质量和开发品种的基础。随着对“洁净”钢的

需求日益增长，钢水过滤技术正在兴起。采用多孔陶瓷过滤器去除钢液中的非

金属夹杂物，具有投资少，成本低、效率高、过滤器是安装在中间包隔墙，由

于通钢量大，一般采用直通孔式结构，过滤器材质主要为刚玉、莫来石、氧化

锆和氧化钙等。氧化钙具有较强的去除Al

2O

3

、SiO

2、

硫等非金属夹杂物的能力，

但氧化钙陶瓷存在易水化的缺点，成为应用氧化钙质过滤器的一大难题。目前，国内外很多钢铁企业正在尝试把氧化钙质陶瓷过滤用于中音包净化钢液，取得

良好效果，而且已用于一些高端产品的实际生产。武钢开发的抗水化性能优异

的氧化钙陶瓷钢水过滤器已应用成功，基寿命与中间包同步，降低钢水夹杂和

总氧含量达20%~30%。

多孔陶瓷过滤器除了用于钢液过滤外，还可以利用多孔陶瓷的高气孔率及

较低的基体热传导系数造成很大的热阻，用作高级保温材料。目前，世界上最

好的隔热材料正是多孔陶瓷，也被称之为“超级绝热材料”；同时由于多孔陶

瓷的多孔特性而使换热得以进行，可用作换热材料，因换热充分，故在钢铁生

产中可用于余热回收利用。多孔陶瓷还可以用于钢铁工业中的污水处理、烟气

过滤等。

3）.陶瓷辊道

陶瓷辊道于20世纪60年代中期由德国首次生产，材质为Al

2O

3

、SiO

2

，主

要用于生产墙地砖、瓷器、陶瓷卫生洁具等的辊道窑。近几年来，陶瓷辊道在钢铁生产工业上得到应用。与工具钢和硬质合金相比，使用陶瓷辊道消除了能

提高钢材的表面质量外，还可以大大减少辊道的更换次数，从而降低钢材的生

产成本并提高生产效率。

随着钢材产品质量要求的提高，对陶瓷辊道的性能也提高了更高的要求：

在整个长度上，必须要均一的显微结构，从而使其力学性能在每一点上均相同；由于辊道的长度更长，所以对其外径和挠度的尺寸工头范围要求越来越窄，且

要求具有好的热力学性能及低的蠕变；极好的化学稳定性，与钢材之间不发生

化学反应；光滑且表面干净；极好的抗热震性。

现有的陶瓷辊道主要有3个基本系列：Al

2O

3

、SiO

2

系列，由刚玉、莫来石

和玻璃组成；SiC系列，包括再结晶SiC、反应烧结SiC、填充有游离Si的致

密SiC、致密烧结SiC；无定形SiO

2，仅由无定形的、烧结的或电熔的SiO

2

，组

成。在此基础上，又开发出3种新材质的辊道：锆莫来石质，同时具有优异的化学稳定性和抗热震性，含有的玻璃相很少，可在15000C下使用；刚玉-氧化锆质，有良好的化学稳定性；刚玉-氧化锆-莫来石质，在15000C以上仍有良好的抗热震性，由于不含玻璃相，其使用温度高达16000C。

4）.陶瓷轧辊和导轮

现代工业中消耗的大量钢材和各种合金材料，大部分是利用轧机将冶炼后的铸坯轧制成所需的形状，金属线材的制造即为铸坯通过多道次轧制而成。高速线材生产线热轧时轧制温度可达10000C以上，精轧机的速度可达120m/s，因此对高速线材精轧机的轧辊和导轮的使用寿命提出了更高的要求，高寿命的轧辊和导轮能够带来更高的生产效益和产品质量。

对于高温高速线材加工的轧辊和导轮，其材料必须具有以下特点：高温硬度高；抗氧化性好；与被轧制材料之间不发生化学反应；高耐磨损性；抗热震性好；强度高；抗形变能力强。与金属相比，陶瓷材料在很多方面有优势。因此，近年来日本、西欧、美国等发达国家为了进一步提高线材加工效率和加工线材质量，开始研究和推广全陶瓷材料的新型轧辊和导轮，并已有一些专利技

术。由于Si

3N

4

陶瓷具有硬度高，高温下强度、硬度下降小、摩擦系数小、自润

滑性、耐磨性好及耐腐蚀等优点，所以目前所研制的高性能陶瓷轧辊和导轮多

采用Si

3N

4

制作。