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矾士基β-Sialon复合低碳铝碳滑板材料的研究

作　者: 岳卫东
导　师: 钟香崇
学　校: 郑州大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 矾土基β-Sialon 低碳铝碳滑板材料 洁净钢 热机械性能 抗氧化性能
分类号: TB333
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 242次
引　用: 3次
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内容摘要


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Al2O3—β-Sialon烧成滑板材料”和“金属Al／Si复合不烧Al2O3—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Al2O3—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Al2O3—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SiO2，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SiO2，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Al2O3—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Al2O3—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Al2O3—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。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-11
引言  11-12
1 文献综述  12-32
  1.1 耐火材料在连铸生产中的作用  12
  1.2 滑动水口和装置  12-13
  1.3 滑板砖的种类、生产和使用  13-20
    1.3.1 滑板砖的种类  13-15
    1.3.2 滑板的生产  15-17
    1.3.3 滑板使用损毁行为与机理  17-20
  1.4 洁净钢的发展对耐火材料的要求  20-23
    1.4.1 发展洁净钢生产的重要意义  20
    1.4.2 洁净度对钢材质量的影响  20-21
    1.4.3 洁净钢的生产技术  21-22
    1.4.4 洁净钢用耐火材料的特点  22-23
  1.5 氧化物—非氧化物复合滑板材料的研究现状  23-31
    1.5.1 氧化物—非氧化物复合材料的特点  23-24
    1.5.2 β-Sialon的结构性能  24-26
    1.5.3 Sialon在耐火材料中的应用  26-28
    1.5.4 Sialon复合滑板材料的研究进展  28-29
    1.5.5 金属复合不烧Al_2O_3-C滑板材料的研究进展  29-31
  1.6 课题的目的和意义  31-32
2 现用的铝碳滑板材料在使用中存在问题的分析  32-39
  2.1 前言  32
  2.2 现用的铝碳滑板材料的使用损毁行为  32-37
    2.2.1 AC-B滑板材料的现场使用情况分析  33-34
    2.2.2 AC滑板材料的现场使用情况分析  34-35
    2.2.3 现用的滑板材料的主要损毁方式及原因  35-37
  2.3 现用的铝碳滑板材料在使用中存在的问题  37-38
  2.4 小结  38-39
3 低碳Al_2O_3—β-Sialon烧成滑板材料的热机械性能和显微结构研究  39-67
  3.1 前言  39
  3.2 低碳Al_2O_3—β-Sialon烧成滑板材料的探索性研究  39-46
    3.2.1 原料  39-40
    3.2.2 试样制备  40
    3.2.3 试验方法  40-41
    3.2.4 矾土基β-Sialon加入量对试样性能的影响  41-44
    3.2.5 石墨的加入量对试样性能的影响  44-45
    3.2.6 烧成制度对试样性能的影响  45-46
  3.3 低碳Al_2O_3—β-Sialon烧成滑板材料的热机械性能  46-49
    3.3.1 试验方法  46-47
    3.3.2 低碳Al_2O_3—β-Sialon烧成滑板材料的热态抗折强度  47-48
    3.3.3 低碳Al_2O_3—β-Sialon烧成滑板材料的抗热震性能  48-49
  3.4 低碳Al_2O_3—β-Sialon烧成滑板材料的显微结构  49-53
  3.5 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  53-54
  3.6 低碳Al_2O_3—β-Sialon烧成滑板材料物相组成及显微结构变化的热力学分析  54-66
    3.6.1 碳化硅颗粒、晶须或纤维形成的热力学分析  54-64
    3.6.2 矾土基β-Sialon在埋碳烧成过程中的变化行为的热力学分析  64-66
  3.7 小结  66-67
4.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研究  67-81
  4.1 前言  67
  4.2 金属Al/Si复合不烧Al_2O_3—β-Sialon滑板材料的探索性研究  67-69
    4.2.1 原料  67-68
    4.2.2 试样制备  68
    4.2.3 试验方法  68
    4.2.4 矾土基β-Sialon加入量对金属Al/Si复合不烧铝碳滑板材料性能的影响  68-69
  4.3 金属Al/Si复合不烧Al_2O_3—β-Sialon滑板材料的热机械性能  69-73
    4.3.1 试验方法  69-70
    4.3.2 滑板材料的热态抗折强度研究  70-71
    4.3.3 滑板材料的的应力应变—温度关系  71-73
    4.3.4 抗热震性  73
  4.4 金属Al/Si复合不烧Al_2O_3—β-Sialon滑板材料显微结构  73-79
  4.5 金属Al/Si复合不烧Al_2O_3—β-Sialon铝碳滑板材料的热机械性能与显微结构关系的探讨  79-80
  4.6 小结  80-81
5.矾土基β-Sialon复合低碳铝碳滑板材料的抗氧化性能研究  81-107
  5.1 引言  81
  5.2 低碳Al_2O_3—β-Sialon烧成滑板材料的抗氧化性  81-88
    5.2.1 试验方法  81-82
    5.2.2 试验结果  82-84
    5.2.3 试样氧化层的气孔分布  84-85
    5.2.4 试样氧化层和过渡层的显微结构  85-88
  5.3 金属复合不烧铝碳滑板材料抗氧化性能的影响  88-102
    5.3.1 试验方法  88-89
    5.3.2 实验结果  89-92
    5.3.3 试样氧化后的显微结构分析  92-102
  5.4 综合分析  102-106
    5.4.1 关于烧成低碳滑板材料氧化致密层形成的机理  102-105
    5.4.2 关于金属复合不烧铝碳滑板材料氧化致密层的形成机理  105-106
  5.5 小结  106-107
6 低碳滑板材料的现场使用情况及分析  107-119
  6.1 前言  107
  6.2 低碳Al_2O_3—β-Sialon烧成滑板材料的现场使用及分析  107-115
    6.2.1 低碳Al_2O_3—β-Sialon烧成滑板材料的现场使用  107-110
    6.2.2 滑板材料的残砖分析  110-115
  6.3 金属Al/Si复合不烧Al_2O_3—β-Sialon滑板材料的现场使用分析  115-117
  6.4 小结  117-119
结论  119-121
参考文献  121-131
致谢  131-132
在学研究成果  132

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 复合材料 > 金属－非金属复合材料
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