铝锆碳质滑板材料组成、结构与性能研究

论文摘要

滑板是炼钢连铸生产过程中直接用于控制钢水流量和流速、稳定钢水液面的关键部件,是滑动水口系统中最重要的部分。铝锆碳质滑板是目前钢厂大中型钢包和中间包普遍采用的材质。随着高效连铸技术的发展以及钢种的增加,滑板的使用条件愈发苛刻,因此进一步提升铝锆碳滑板的综合性能显得尤为重要。金属Al、单质Si是铝锆碳滑板常用的添加剂,在热处理过程中它们与原料中的碳或周围气氛中的CO、N2发生的一系列化学反应,生成Al4C3、SiC、AlN或Si3N4等陶瓷增强相,赋予了铝锆碳滑板良好的性能。Al-Si-SiO2三元体系在氮气气氛且有碳存在条件下的热力学分析表明,该体系中反应特性更为丰富,反应产物均具有优良的理化性能,这为进一步通过材料的组分裁剪、微结构设计来提升材料的综合性能提供了可能。到目前为止,还未见到系统研究金属Al、单质Si、SiO2微粉含量及工艺制度对铝锆碳滑板微结构及力学性能的影响报道。因此,系统研究金属Al、单质Si和SiO2微粉含量、引入形式以及热处理制度对提升铝锆碳滑板材料综合性能和降低滑板的生产成本具有重要的现实意义。本论文针对目前主流使用的铝锆碳滑板,首先对不同温度下金属Al、单质Si、SiO2微粉与碳反应进行热力学模拟和微结构表征,在此基础上系统研究了Al/Si比以及SiO2微粉的引入量、引入形式及烧成气氛对Al2O3-ZrO2-C滑板材料微结构与性能的影响,借助压汞仪和扫描电镜等检测手段分析了材料力学行为与微结构之间的关系,最后基于实验室的研究成果研制出新一代铝锆碳滑板,并进行了规模化生产及工业试验,得到以下主要结论:（1）碳复合耐火材料中添加剂（金属Al、单质Si、SiO2微粉中的一种或一种以上复合）和鳞片石墨及炭黑的混合物反应生成的物相,与碳的反应热力学模拟结果完全一致。物相生成温度和形貌与添加剂种类、组合方式及烧成温度和气氛密切相关。同时碳素原料也显著影响材料中陶瓷相的形貌。（2）通过Al/Si比对Al2O3-ZrO2-C滑板微结构与性能的影响研究发现,Al、Si加入比例显著影响Al2O3-ZrO2-C材料的力学性能。经800和1000℃煅烧后,试样的抗折强度、弹性模量和韧性均随铝粉加入量的增加而增大,而经1 300和1 400℃煅烧后,试样的抗折强度、弹性模量和韧性均随铝粉加入量的增加而减小。试样的平均孔径呈现出与力学性能相反的变化规律。试样强度的变化主要与试样的微观结构密切相关。不同Al/Si加入比例的试样可以通过选择合理处理温度,优化材料的微观结构,获得最佳力学性能。（3）SiO2微粉加入量、加入形式以及烧成气氛对不同Al/Si复合Al2O3-ZrO2-C滑板的微结构均有影响,并使材料表现出不同的力学行为。SiO2微/纳米粉的引入,还可以改善含金属Al的滑板抗水化性能,并避免高温烧成时强度的急剧下降,降低了滑板材料对烧成温度的敏感性。在氮气保护条件下烧成,铝锆碳滑板材料获得更佳的性能。（4）在上述工作基础上,选取基质中添加2%金属铝、3%单质硅和1%硅微粉的配方A21进行规模化工业生产。在工业生产线上经过1200℃烧成后的新型滑板具有晶须细小且均匀分布的结构特征,获得了优良的物理性能;并在不同的钢厂大中型钢包上取得一致良好的使用效果。

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摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 前言

1.2 滑板的国内外研究现状

1.2.1 滑板材质研究发展现状

1.2.2 滑板复合技术发展

1.2.3 滑板侵蚀损毁机理研究

1.2.4 连铸用滑板材料的发展趋势

2 微粉在耐火材料中的应用'>1.3 Al 粉、Si 粉及SiO₂微粉在耐火材料中的应用

1.3.1 Al 粉和Si 粉在耐火材料中的应用

2 微粉在耐火材料中的应用'>1.3.2 SiO₂微粉在耐火材料中的应用

1.4 耐火材料微结构的精细化设计

1.4.1 第二相引入和增强相原位形成对耐火材料性能的影响

1.4.2 孔结构对耐火材料性能的影响

1.5 耐火材料的力学性能表征

1.6 本论文的提出

2与碳反应的热力学模拟及微结构'>第二章 Al、Si 及SiO₂与碳反应的热力学模拟及微结构

2.1 不同添加剂与碳反应的热力学模拟

2.1.1 金属Al 作为添加剂

2.1.2 单质Si 作为添加剂

2 微粉作为添加剂'>2.1.3 SiO₂微粉作为添加剂

2.1.4 金属Al 复合单质Si 作为添加剂

2 微粉作为添加剂'>2.1.5 金属Al 复合SiO₂微粉作为添加剂

2.2 不同添加剂与碳反应的微结构

2.2.1 原料与实验过程

2.2.2 物相组成分析

2.2.3 红外光谱分析

2.2.4 显微结构分析

2.3 小结

2O₃-ZrO₂-C 滑板微结构与性能的影响'>第三章 Al/Si 比对Al₂O₃-ZrO₂-C 滑板微结构与性能的影响

3.1 实验过程

3.2 结果分析与讨论

3.2.1 常规性能

3.2.2 物相分析

3.2.3 显微结构

3.2.4 孔径分布

3.2.5 力学性能

3.2.6 抗水化性能

3.3 本章小结

2粉对Al₂O₃-ZrO₂-C 滑板性能的影响'>第四章微/纳米SiO₂粉对Al₂O₃-ZrO₂-C 滑板性能的影响

4.1 实验过程

4.2 结果分析与讨论

2 粉的加入对不同Al/Si 复合铝锆碳滑板性能的影响'>4.2.1 微米SiO₂ 粉的加入对不同Al/Si 复合铝锆碳滑板性能的影响

2 粉加入量对含2% Al 和3% Si 的铝锆碳滑板性能的影'>4.2.2 微/纳米SiO₂ 粉加入量对含2% Al 和3% Si 的铝锆碳滑板性能的影

4.3 本章小结

2O₃-ZrO₂-C 滑板的生产工艺研究和应用'>第五章新型Al₂O₃-ZrO₂-C 滑板的生产工艺研究和应用

5.1 生产过程

5.1.1 生产用原料及配比

5.1.2 生产工艺过程

5.1.3 关键生产工艺过程优化和控制

5.1.4 试样检测

5.2 滑板性能检测结果和分析

5.2.1 常规性能

5.2.2 弹性模量和载荷/位移关系

5.2.3 显微结构

5.3 滑板孔径分布和沥青浸渍工艺研究

5.3.1 滑板气孔分布

5.3.2 沥青浸渍工艺研究

2O₃-ZrO₂-C 滑板的应用'>5.4 新型Al₂O₃-ZrO₂-C 滑板的应用

2O₃-ZrO₂-C 滑板的使用条件和使用情况'>5.4.1 新型Al₂O₃-ZrO₂-C 滑板的使用条件和使用情况

2O₃-ZrO₂-C 滑板损毁分析'>5.4.2 新型Al₂O₃-ZrO₂-C 滑板损毁分析

5.5 小结

第六章总结论

参考文献

本论文的创新点

博士期间发表论文及专利

致谢

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