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《郑州大学》 2007年 博士论文
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矾士基β-Sialon复合低碳铝碳滑板材料的研究

岳卫东  
【摘要】: 针对我国现用铝碳滑板材料存在的主要问题及洁净钢(特别是低碳钢和超低碳钢)连铸的迫切需要,本工作研究开发了两种新型的矾土基β-Sialon复合低碳铝碳滑板材料,即“低碳Al_2O_3—β-Sialon烧成滑板材料”和“金属Al/Si复合不烧Al_2O_3—β-Sialon滑板材料”,重点研究了这两种新型滑板材料的组成、结构与性能的关系。在此基础上,进一步开展了其在连铸现场的应用工作。 本工作研究了“低碳Al_2O_3—β-Sialon烧成滑板材料”的热机械性能与显微结构的关系。该滑板材料含有10%的矾土基β-Sialon,其碳含量为3%~6%,显著低于现用铝碳滑板材料的碳含量(7%~12%)。研究表明该新型滑板材料具有优异的热机械性能。同现用的烧成铝碳滑板材料相比,它的中温和高温强度皆有明显提高,如1400℃时的热态抗折强度高达30MPa左右,比现用烧成铝碳滑板材料的强度高15%以上。新型滑板材料的碳含量虽显著降低,但其仍然具有优良的抗热震性能。当热震温差△T=1200℃,水冷一次后,残余抗折强度保持率为49%,略高于现用烧成铝碳滑板材料的残余抗折强度保持率(47.3%)。 显微结构的研究表明,低碳Al_2O_3—β-Sialon烧成滑板材料具有优异的热机械性能的根本原因在于材料中的矾土基β-Sialon在高温埋碳烧成条件下发生表层氧化。即矾土基β-Sialon颗粒表层被CO气体氧化生成莫来石和SiO_2,新生态的氧化产物进一步和周围的刚玉颗粒作用而形成以莫来石为结合相的紧密结构,从而将材料基质中的β-Sialon颗粒和刚玉颗粒紧密结合起来,强化了滑板材料基质的结构。热力学分析表明,矾土基β-Sialon颗粒在高温埋碳烧成条件下的氧化过程是可控的,即1409℃以下滑板材料中的β-Sialon可与CO气体反应形成莫来石及SiO_2,而在1409℃以上,β-Sialon颗粒不与CO反应而稳定存在。因此,可望采用合理的温度制度来控制β-Sialon颗粒的氧化程度并进而控制滑板材料的显微结构。这为该新型滑板材料显微结构的优化设计提供了理论基础。 本工作研究了“金属Al/Si复合不烧Al_2O_3—β-Sialon滑板材料”的热机械性能与显微结构的关系。该滑板材料含有8%矾土基β-Sialon,其碳含量很低(3%~5%)。该材料的热态强度随温度变化的规律与金属Al/Si复合不烧铝碳滑板材料相同,即从600℃开始随着温度的升高而显著升高,在1200℃达到40 MPa以上,是常温强度的2.5倍,在1200℃以后仍缓慢升高,到1400℃C时的热态强度为45MPa以上。该材料的抗热震性比金属Al/Si复合不烧铝碳滑板材料略有改善,其在热震温差(△T)=1200℃,风冷一次后,残余抗折强度保持率为72.3%。其优异的热机械性能主要归因于材料中引入的Al粉和Si粉在埋碳还原条件下发生碳化和氮化等原位反应,生成大量的非氧化物增强相,使材料的显微结构特征从以碳结合为主转化为以非氧化物结合为主。 本工作研究了上述两种新型滑板材料的高温氧化行为并探讨了其抗氧化机理。研究表明,不论是烧成的还是不烧的低碳滑板材料,与不含矾土基β-Sialon的滑板材料相比,矾土基β-Sialon复合低碳铝碳滑板材料皆表现出更为优良的抗氧化性能,主要原因是由于矾土基β-Sialon复合低碳铝碳滑板材料在高温氧化过程中其氧化层中有较多的莫来石生成,这些莫来石均匀地填充在刚玉骨架结构的空隙中,能够形成有效地阻碍外界中的氧向材料内部扩散的致密结构。 本工作研究的两种矾土基β-Sialon复合的低碳滑板材料皆在连铸生产现场进行了试用。在90吨和160吨钢包上使用时,低碳Al_2O_3—β-Sialon烧成滑板材料的连续使用炉数与目前使用的铝碳或铝锆碳滑板材料相当,滑动面拉毛和裂纹情况有所改善;在90吨钢包上使用时,金属Al/Si复合不烧Al_2O_3—β-Sialon滑板材料可以连续使用4次,使用后滑板材料基本上没有拉毛,只有极少量细小裂纹。这表明它们完全能满足连铸生产需要。由于它们具有较低的碳含量,有望在洁净钢的连铸生产中发挥更大作用。


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