连铸用滑板的发展概况及其损毁机理

1、综合评述NAHUOCALAO /耐火材料2007,41 (3 )225 229连铸用滑板的发展概况及其损毁机理张 煦1）李新健2）唐 坤2）张子翼3）1）宝山钢铁股份有限责任公司资料备件采购部 上海2019002）武汉威林炉衬材料有限责任公司3）北京通达耐火材料有限责任公司摘 要 着重介绍了连铸用滑板的发展概况以及滑板的分类，概括了各类滑板的制备工艺及其使用过程中的优缺点。在滑板的使用过程中，其损毁主要原因是热机械损毁和热化学损毁，并根据滑板损毁的主要原因简单介绍了防止滑板损毁的主要措施。关键词 滑板，连铸，损毁机理2007 /3 耐火材料 /NAHUOCALAO 225 199420(J7

2、China Acadeinrc Jcumal Llectrcnic Publishing lien吹.All rights reserxed.2007 /3 耐火材料 /NAHUOCALAO # 199420(J7 China Acadeinrc Jcumal Llectrcnic Publishing lien吹.All rights reserxed.近年来，钢铁工业发展迅速，特别是随着快速、高 效连铸和二次精炼技术的发展，对能够精确控制从钢III二 亠包到连铸中间包钢水流量的滑动水口系统提出了很 高的要求。因滑板是其最重要的组成部分，它直接控制钢水的流量，需要长期承受高温钢水的作用，所以

3、在满足不同浇铸工艺的条件下，滑板反复经受钢水的 化学侵蚀和物理侵蚀以及强烈的热冲击，因此必须具有耐高温、强度高、抗侵蚀性好、抗热震性好和蠕变小 等优良特性。1滑板的发展概况和分类1. 1发展概况随着快速、高效连铸和二次精炼技术及工艺的发展，滑动水口 （Sliding Nozzle，简称SN）系统在现代钢铁冶炼过程中变得越来越重要，成为冶炼中不可缺少 的部分。它是连铸机浇铸过程中钢水的控制装置，能够精确地调节从钢包到连铸中间包的钢水流量，使流入和流出的钢水达到平衡，从而使连铸操作更容易控 制。滑动水口系统因其可控性好，能提高炼钢生产效率而得到了迅速发展。现在，在钢包、中间包上国内外普遍使用了滑动

4、水口系统。滑板（Sliding Plate简称SP）是滑动水口系统的主要部件之一。按照组成滑动水口系统的滑板块数划 分，可分为两层式和三层式。钢包用滑板一般为两层 式，操作时上滑板固定不动，通过下滑板进行截流和节 流。中间包用滑板一般为三层式，操作时将上滑板与 上水口固定，下滑板与下水口固定，通过中间滑板来进 行截流和节流。滑动水口的基本结构如图1所示。1 -上滑板；2 -下滑板（a）两层式滑板1 -上滑板；2 -中滑板；3 -下滑板（b）三层式滑板图1滑动水口系统结构示意图滑动水口的设计早在1884年就由美国人D. Lewis提出构思并申请了专利，后来也有不少类似3张煦：男，1971年生,工

5、程师。E2nail: avaterlixinjian163. com收稿日期:2006 - 09 - 262007 /3 耐火材料 /NAHUOCALAO 226 199420(J7 China Acadeinrc Jcumal Llectrcnic Publishing lien吹.All rights reserxed.的专利但均因材质不过关而未能实现。直到1964年,西德本特勒钢铁公司在22 t钢包上，采用滑动水口装置代替塞棒系统进行浇钢，首次获得成功，并迅速推广到许多国家。为获得较长的使用寿命和稳定 的操作条件，滑板作为滑动水口系统的耐火材料和机 械构件，都要求其具有优良的性能。当前，

6、为了使滑动水口系统使用性能更加稳定可靠，对滑板的形状以及固定方式进行了许多改进和研究，其主要目的是抑制滑板使用过程中工作面裂纹的产生和扩展。1. 2分类1.2.1高铝质 刚玉-莫来石质）滑板1高铝质滑板一般以矶土或烧结氧化铝和合成莫 来石为主要原料，以粘土作为结合剂，经高压成型、高 温烧成，形成了以刚玉、莫来石为主晶相的陶瓷结合 耐火材料。高铝质滑板采用合成莫来石是为了提高 材料的抗热震性。高铝质滑板一般要经过高温沥青 浸渍，使滑板的开口气孔得以填充，改善滑板抗侵蚀 性能。除沥青浸渍外，还有通过添加氧化铬来提高滑 板的抗侵蚀性能，这就是在高铝质滑板基础上发展的 刚玉-铬质滑板。根据不同的使用要

7、求，通常氧化铬 的加入量（w）为3%5%。高铝质滑板生产成本低，工艺较简单；但由于产品中杂质含量高，仅能满足小型钢厂一般钢种低炉次 的浇铸，并且由于浸渍的沥青在使用过程中有冒烟的 现象，严重污染作业环境。1. 2. 2铝碳质1-2或铝碳锆质滑板3上个世纪70年代后期，由于碳素材料对滑板的 抗侵蚀性以及抗热震性均具有良好的作用，从而发展了加入碳素材料的铝碳质滑板。其主要是以氧化铝（烧结刚玉和电熔刚玉 ）和莫来石 烧结莫来石料和 合成莫来石）为主要原料，在基质部分引入含碳材料（鳞片石墨、炭黑等），在还原气氛下烧成形成陶瓷-碳结合的耐火材料。铝碳滑板热导率大，热膨胀系数 小，抗热震性能明显提高。气孔

8、微细以及碳的存在使 得材料的抗侵蚀性较强，从而使用寿命优于陶瓷结合 的高铝质滑板。其缺点是由于组织致密，耐热冲击性 有所下降；高温下碳被氧化，导致滑板结构疏松，抗侵 蚀性能下降。因此，有必要进一步提高材料的抗热震 性和抗侵蚀性。为了克服铝碳质滑板的不足，进一步改善其使用 性能（即抗热震性），上个世纪80年代后期，在烧成铝 碳滑板的基础上，研究开发了铝碳锆质滑板。这种滑 板采用了锆莫来石（ZQ2-AI2O3 - SO2）、AZT （A b03 -ZrO2 - TO?）、锆刚玉（Z1O2 - AbOs） AZTS （A b O3-ZrO2 - TO2 - SO2）等含锆原料，制成以斜锆石、莫 来石

9、、刚玉等为主晶相，以碳结合为特征的耐火材料C引入含锆材料的主要目的在于利用含锆材料中的氧 化锆在约1 000 C发生晶型转变时伴随的体积收缩，晶粒内产生显微裂纹，从而大大改善材料的耐热冲击 性能；其次ZrO2具有优良的抗侵蚀性能。铝碳锆滑板充分发挥了酚醛树脂的特性，其组织更致密，抗侵蚀性更好，抗热冲击性能也有所改进。铝碳锆滑板是 现代钢铁企业中滑板的主流。1. 2. 3方镁石质滑板4或镁尖晶石质滑板方镁石质滑板有烧成和不烧两种系列。实际生产和使用方镁石质滑板存在以下问题：烧成废品率高，烧成（1 600 C ）能耗高。烧成方镁石滑板由于抗 热震性较差，第一次浇铸钢水后，滑动面就产生裂纹， 并对下

10、次浇钢产生不利影响。烧成方镁石滑板的热 导率高，使与滑板接触的金属部件可能因过热而产生 扭曲，导致材料的消耗量增加。镁质整体滑板由于售 价高而难以推广。不烧方镁石滑板采用水玻璃或磷 酸盐结合，生产过程中废品率较低，同时也节约能耗， 且其各项性能指标优良。在使用过程中不烧滑板砖坯强度高，热导率低，使用后滑板冷却裂纹少，能可靠 地防止金属件因过热而变形，降低滑板材料的消耗。镁尖晶石滑板中，由于尖晶石的存在形成了方镁 石与尖晶石之间的直接结合，使材料具有较多的优点:MgA 204与MgO的热膨胀系数有较大的差别，冷却时方镁石和尖晶石之间产生显微裂纹，从而直接缓解应力作用，达到了提高其抗热震性的目的；

11、镁尖晶石滑板的基质中存在MgA .O4，这既能保持基质的高温性能，又能提高其抗水化的能力。镁尖晶石滑板中的MgO会与钢液中的钙反应，生成低熔点化合物，影响使用寿命。使用过程中因滑 板表面结渣使滑板粘结在一起5，因此在滑板制备过程中，采用结晶粗大、晶格完整的致密镁砂等原料进 行生产，并加强泥料粒度分布和烧成温度的控制，使镁尖晶石滑板的抗侵蚀性能以及使用寿命都有明显 的提高。这种滑板不仅可以用于钙处理钢的浇铸 ，而 且可以用作高氧钢的浇铸6。在浇铸钙处理钢的时候可以连续浇铸次数可达5次以上7。1. 2. 4氧化锆质滑板氧化锆质材料具有良好的抗侵蚀性和抗剥落性。利用ZrO2的马氏体相变可以显著提高结

12、构陶瓷的断 裂韧性。已有研究表明：相变伴随的体积效应一方面 容易导致材料的断裂，另一方面可以在材料内局部区 域产生显微裂纹，提高材料抗热震损伤能力8。氧化China Academic Journal r.kctionic Publish mgA rights reserved, http: /.Vcnk i tieChina Academic Journal r.kctionic Publish mgA rights reserved, http: /.Vcnk i tie226 NAHUOCALAO /耐火材料2007 /3China Academic Journal r.kctionic

13、Publish mgA rights reserved, http: /.Vcnk i tie-氮化铝结合的刚玉滑板，用于钙处理 ,取得了很好的效果 11。该滑板,部分金属铝熔融后形成液相充,形成对刚玉包裹的连续相,并含有少量的金属铝纤维。材。材,形成了以刚A 2 O3 - Z1O2,但其抗渣镁部分稳定的氧化锆质滑板，可以在苛刻的浇铸条件 下使用，寿命最高可达10次9-10。采用热压成型的氧化镁部分稳定氧化锆质滑板具有高温强度高，显气孔率低，气孔孔径小等特点，在中间包上使用具有好 的抗钢水和熔渣的侵蚀性10。但锆质材料成本高并且因与Feo反应，所以不适宜浇铸高氧钢。综合锆 质材料的优缺点，在滑

14、板关键部位如铸孔的周围采用 锆质环，与普通材料本体镶嵌而成的复合式滑板是当 今锆质滑板发展的主流。1. 2. 5金属铝氮化铝结合的刚玉滑板为满足炼钢生产对滑板提出的日益苛刻的要求 特别是满足钙处理钢、高氧钢浇铸的要求，各国在不 断完善现有滑板性能和质量的基础上，不断探讨和开发新的材质。以刚玉和金属铝粉为主要原料，采用氮 化烧结工艺、以金属铝和氮化铝作为滑板的结合相 研制出金属铝钢和高氧钢的浇铸 是以刚玉为主要物相 填于刚玉颗粒的间隙 料中的游离碳含量低提高了材料的致密度，阻碍金属铝的熔出12。该滑 板具有如下特性：1）利用A N的低膨胀系数和高的热 导率，提高滑板的抗热震性；2）生成的AN微小

15、粒子 弥散在基质中，能阻碍位错运动、裂纹扩展，兼有弥散 增韧作用；3）高温下熔融的金属Al呈塑性状态，可填充气孔，同时降低陶瓷材料的脆性；4）金属铝和 A lN的抗氧化性和A N的非浸润性，可以提高滑板的抗侵 蚀能力及抗氧化能力；5）经过氮化后的滑板坯体致密,气孔率低；6）滑板常温及高温强度（耐压强度、抗折 强度）都较高，抗氧化性好；7）滑板的热态强度几乎与 冷态强度接近，远高于铝碳质以及铝锆碳质滑板13。 1. 2 6金属陶瓷材料复合刚玉滑板14在实际生产中，一直在改进和开发具有良好抗侵 蚀性和抗热震性的材质。随着研究的深入，开发了金属陶瓷材料复合刚玉滑板。其以板状刚玉为主要原 料,金属铝、

16、氧化铬或金属铝、氧化铬以及金属钼按照 一定的比例混合添加，经热压烧结成型 玉为主晶相的金属陶瓷结合复合刚玉滑板金属陶瓷材料复合刚玉滑板有着与-C或ZrO2质滑板几乎相近的抗热震性2007 /3 耐火材料 /NAHUOCALAO 227 1994-2007 China Academic Jcumal Electronlc Publishing House. All rights reserved, http:/AN 2气反应形成,生 ,由此而料中部分金属铝在滑板氮化烧结时与 A N，反应形成的 A N填充于刚玉颗粒之间的空隙 成AN的反应伴随有26%的体积膨胀效应 侵蚀性能较 Al2O3 - Z

17、rO2 - C或Z1O2质滑板有较大 的提高。表1列出不同材质滑板的化学组成和物理 性能15。2007 /3 耐火材料 /NAHUOCALAO # 1994-2007 China Academic Jcumal Electronlc Publishing House. All rights reserved, http:/A表1不同材质滑板的化学组成和物理性能材质铝碳质铝锆碳质镁碳质镁尖晶石质氧化锆质体积密度/ (g? cm - 3)2. 80 3. 003. 06 3. 182. 94 3. 092. 90 3. 154. 98 5. 35显气孔率/%8 106 94 96 102 11耐压

18、强度/MPa130 200150 230130180160190150560抗折强度/MPa(1 400 C)11 1413 1630 4530 369 14热膨胀率/% (1 500 C)-1. 0 1. 11. 941.261. 03A I2O370 7570 758 1523. 7-,小,MgO80 9075. 3化学组成（w） /%ZrO2-7 10-93 97C12 155 103 534. 52. 02007 /3 耐火材料 /NAHUOCALAO # 1994-2007 China Academic Jcumal Electronlc Publishing House. All

19、rights reserved, http:/A2007 /3 耐火材料 /NAHUOCALAO # 1994-2007 China Academic Jcumal Electronlc Publishing House. All rights reserved, http:/A2滑板的损毁滑板用耐火材料因其结构、用途、使用条件的不同,显示出不同的损坏形式：（1）滑板会与熔渣发生相互作用；（2 ）滑板受钢流冲刷造成的磨损或由于固定节流 开闭时所引起的堵塞。滑动水口随着浇铸速度稳定 滑板开度固定（如图2所示），在铸口内形成钢水滞流 静止区（死区）。在这里要进行钢水凝固t非金属夹杂物形成t非金属夹

20、杂物长大等过程，会发生水口的 堵塞。从上固定板吹入氩气可以有效地防止堵塞这是由于进入铸口内的氩气具有搅拌力作用，从而有效地防止了钢水流静止区的形成，所以起到了防止水口堵塞的作用。2007 /3 耐火材料 /NAHUOCALAO 228 1994-2007 China Academic Jcumal Electronlc Publishing House. All rights reserved, http:/A2007 /3 耐火材料 /NAHUOCALAO # 1994-2007 China Academic Jcumal Electronlc Publishing House. All r

21、ights reserved, http:/A2007 /3 耐火材料 /NAHUOCALAO # 1994-2007 China Academic Jcumal Electronlc Publishing House. All rights reserved, http:/A（3）由于浇铸的钢种不同和浇铸方法 模铸或连 铸）不同，滑板的蚀损情况和程度也各不相同 。浇铸 不锈钢时，由于高温粘性使得钢渣粘附量大。随着滑 板的多次使用，钢渣会在滑板的毛面粘附 ，每滑动一 次就增加一层，最后导致滑板开裂，造成漏钢事故。 选用铝碳质滑板对防止钢渣粘附是有效的 。2 1热机械侵蚀滑板在使用过程中首先产生

22、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接触而受到强烈热冲击，因此，在铸孔的外部产生了超过滑板强度的张应力，形成以铸孔为中心的辐射状的微裂纹。裂纹的出现利于外来杂质的扩 散、集聚和渗透，进而加速了滑板的化学侵蚀；而化学 侵蚀反应又促进裂纹的形成与扩展。如此的循环将使滑板的铸孔逐步扩大从而进一步损毁。高温钢水的冲刷也会磨损耐火材料，造成剥落16。若滑板的抗热震性较差，会使得滑板在使用过程中出现裂纹，从而易出现“渗钢”、夹钢”的现象。对于现在使用的滑板，要防止这种龟裂是比较困 难的。因此，为了防止对滑板寿命产生恶劣影响，正在尝试控制龟裂的扩展和其方向性。最初采用的是通

23、过膨胀性水泥把滑板耐火材料固定在金属框内的方法，但现在钢箍热嵌的方法已成为主流。为了使产生的龟裂不发生在滑动方向即纵向上，需要考虑滑板的紧固 方法。一般在纵向紧固滑板时，因容易产生同方向的 龟裂，所以从斜边方向紧固的方法对提高寿命有利。 滑板的紧固方向和龟裂产生方向的关系如图3所示。是由于耐火材料中碳的氧化，造成耐火材料组织破坏，上、下滑板工作面高温耐磨性差滑板的抗氧化性差或上下滑板吻合性差，缝隙偏大，浇钢时吸入空气 使滑动面被氧化造成强度降低），滑动面易“拉毛”。其间渗入钢水后再推拉时拉毛现象加剧，使滑板摩 擦阻力增大，严重时会发生滑动面之间漏钢17。因此，应该清洗好水口 ，清除掉下水口的废

24、钢，在全程推 拉滑板的同时，从铸孔内仔细检查滑动水口3条接缝和滑动面的侵蚀情况，接缝侵蚀明显或滑动面有明显 拉毛”时要停止连用。在浇铸钙处理钢的过程中，除了浇铸常规钢种所引起的蚀损以外，还由于下面的机理造成特殊的蚀损：1）钢水中的Ca降低了耐火材料中 A 203和SO2 的含量。从热力学的观点看，首先是Ca与SO2发 生反应：2Ca +SO2 t2CsO +Si3Ca +A I2O3 t3CaO +2AI2）Ca与钢水中氧反应生成CaO, CaO再次与耐火材料中的 AI2O3或 SO2反应生成 Cao - a I2O3或 Cao -AI2O3 - SO2化合物，每种化合物的熔点都很 低。在浇钢

25、温度下，这些化合物存在于液相中，钢水流对耐火材料易于造成腐蚀。3）滑板用半闭合状态浇铸时将对下滑板的镗孔 造成负压带，钢水中的钙蒸气与吸入在滑板中的氧反 应，在负压带形成 CaO,致使在上滑板的表面形成特 殊形式的腐蚀，称为“马蹄形”腐蚀。图4为马蹄形熔 损的发生机理示意图18。 19942007 China 先亡配切“盅 Jourtial Lkctrcnic Publishing Hou忌 A rights reserved, http:criki.tie: 19942007 China 先亡配切“盅 Jourtial Lkctrcnic Publishing Hou忌 A rights r

26、eserved, http:criki.tie:2 2热化学侵蚀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，造成化学侵蚀。依据不同的使用条件及不同钢种对滑板的化学损毁机理不 同，选择相应材质的滑板，这样可提高滑板的使用寿 命，降低耐火材料的成本。由于炼钢技术的发展，过去连铸困难的含氧量高 的钢材现在已可以生产了 。但使用的铝碳质、铝锆碳 质滑板，其滑动面拉毛显著，使用寿命下降。这主要3结论综上所述，滑板因其使用条件的不同所采用的滑 板材质也不相同，各种材质的滑板也因其各自的优缺 点而在不同的环境下使用。随着快速、高效连铸的发展，滑板作为钢铁冶炼过程中精确控制钢水流量的不

27、 可缺少的部件，一方面对其性能要求越来越高 ，另一方 面其使用条件也越来越苛刻。随着研究的不断深入滑板的使用性能将不断优化，其寿命也将进一步提高。 19942007 China 先亡配切“盅 Jourtial Lkctrcnic Publishing Hou忌 A rights reserved, http:criki.tie: 19942007 China 先亡配切“盅 Jourtial Lkctrcnic Publishing Hou忌 A rights reserved, http:criki.tie:228 NAHUOCALAO /耐火材料2007 /3 19942007 China

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