氧化锆质定径水口在使用温度下的矿物组成变化分析

发布时间：2017-09-27 15:34

  本文关键词：氧化锆质定径水口在使用温度下的矿物组成变化分析

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【摘要】：氧化锆质定径水口在使用过程中易出现炸裂、堵塞、脱落、内径变化太快及不满足长时间浇铸等问题,定径水口的使用寿命直接关系到中间包的使用寿命,因此研制出一种扩径慢、使用寿命长的定径水口迫在眉睫。而现阶段对氧化锆质定径水口损毁机理的研究取样方法并不能代表水口在实际使用状态中的矿物组成,本实验为得到连铸用氧化锆质定径水口在使用温度下的矿物组成和微观结构,通过不同的冷却方式(自然冷却、水淬冷却)对比分析,对三组配方的定径水口(以Mg-PSZ为原料制备的定径水口、以Mg,Y-PSZ为原料制备的定径水口及通过添加溶胶-凝胶法制备的Al_2O_3-ZrO_2复合粉制备的新型改性定径水口)模拟水口下线后缓慢冷却至室温、水淬冷却保持水口在高温使用状态下的矿物相组成和结构进行实验研究。借助X-ray荧光分析仪、X-ray衍射仪、扫描电子显微镜对试样的矿物组成及显微结构进行表征,研究三组配方的定径水口的使用性能和损毁机理,研究不同取样方式组成和结构的差异。实验得出以下结论:(1)以Mg-PSZ为原料制备的定径水口(A)显气孔率较大、体积密度较小、热震稳定性较差、耐压强度较低;以Mg,Y-PSZ为原料制备定径水口(B)的基本物理性能相较于A试样均得到提高;当向以Mg,Y-PSZ为原料制备定径水口中添加一定量的Al_2O_3-ZrO_2复合粉后,制得G试样的各相物理性能较A、B试样都有明显的提高,相较于B试样,显气孔率降低11.21%,体积密度增加3.41%,耐压强度提高25.37%,抗热震性能得到明显提高,热震次数达到41次。在G试样中,由于Al_2O_3-ZrO_2复合粉中Al_2O_3的引入消耗部分稳定剂MgO,形成新物相镁铝尖晶石,导致G试样中高温稳定相c-ZrO_2相含量的降低,但同时又由于镁铝尖晶石具有良好的抗侵蚀,腐蚀、剥落能力强,抗渣性能好,抗磨蚀能力,热震稳定性好,耐高温等性能特点,使得该试样的基本物理性能得到提高。(2)经水淬冷却后三组配方的试样中立方相氧化锆含量均得到提高,单斜相氧化锆含量均降低。以Mg-PSZ为原料制备的定径水口中立方相含量由26%增加到32%,以Mg,Y-PSZ为原料制备定径水口中立方相含量由41%增加到57%,改性后的定径水口中立方相由35%增加到40%。结果表明,足够快的冷却速率可以抑制相变的发生,通过水淬冷却,高温相c-ZrO_2向低温相m-ZrO_2的相变温区缩小,立方相氧化锆相变被抑制,从而导致立方相氧化锆被保留到室温。在实际连铸过程结束后,翻包自然冷却过程中,缓慢的冷却速率导致部分立方相氧化锆转变为单斜相氧化锆,立方相氧化锆相含量减少,即翻包自然冷却后所取试样的研究结果并不能代表氧化锆质定径水口在中间包浇注过程中的实际使用状态。在不同温度下,氧化锆质定径水口内单斜相与立方相含量均发生改变,导致材料热膨胀系数有所差异,热膨胀系数的不同使得温度梯度所造成的热应力不同,同时试样内部高温相c-ZrO_2与低温相m-ZrO_2之间的转变,伴随着一定的体积膨胀、剪切形变等,从而影响材料的热震稳定性,导致在实际使用过程中,氧化锆质定径水口的局部开裂、剥落等,加快定径水口的损毁过程。(3)连铸实验后,未改性的定径水口中,MgO与钢水及钢渣中的夹杂物发生反应导致脱溶,稳定剂脱溶导致氧化锆由立方相转变为单斜相,伴随产生的体积膨胀和剪切变形使定径水口出现开裂、剥落等现象,加速损毁。改性后的定径水口用后残样中依旧存在镁铝尖晶石相,紧密镶嵌于氧化锆基体材料中,并未因钢水及钢渣的侵蚀而破坏。这说明,添加铝锆复合粉后材料的结构更加致密,抗冲刷能力加强,在结构的致密性得到提高的同时由于产生镁铝尖晶石而提高了定径水口的热震稳定性及结合强度。
【关键词】：连铸 Mg-PSZ Mg Y-PSZ Al_2O_3-ZrO_2复合粉 冷却方式
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TF341.6;TQ175.7
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 1 引言9-11
• 2 文献综述11-21
• 2.1 连铸及中间包技术发展11-15
• 2.1.1 连铸的发展概况11-12
• 2.1.2 中间包及中间包用耐火材料12-13
• 2.1.3 中间包用定径水口13-15
• 2.2 氧化锆质定径水口改性研究15-18
• 2.2.1 氧化锆晶型及其稳定化15-17
• 2.2.2 氧化锆质定径水口的改性17-18
• 2.3 氧化锆质定径水口损毁机理18-19
• 2.4 本实验研究目的、意义及主要内容19-21
• 2.4.1 课题研究的目的和意义19
• 2.4.2 课题研究的主要内容19-21
• 3 实验21-27
• 3.1 实验原料21
• 3.2 实验用设备21-22
• 3.3 实验检测仪器及检测原理22-27
• 3.3.1 激光粒度分析仪22
• 3.3.2 X射线衍射分析仪22
• 3.3.3 X射线荧光光谱分析仪22-23
• 3.3.4 扫描电子显微镜23
• 3.3.5 显气孔率和体积密度的测定23-24
• 3.3.6 常温耐压强度的测定24
• 3.3.7 抗热震稳定性的测定24-27
• 4 定径水口的制备及性能对比分析27-37
• 4.1 Al_2O_3-ZrO_2复合粉的制备27-29
• 4.2 ZrO_2定径水口的制备29-30
• 4.3 定径水口的物理性能测试30-31
• 4.3.1 定径水口基本物理性能对比分析30-31
• 4.4 矿物组成及显微结构分析31-35
• 4.4.1 不同配方试样的矿物组成分析31-33
• 4.4.2 不同配方试样的显微结构及微区成分分析33-35
• 4.5 本章小结35-37
• 5 模拟连铸现场试验研究37-51
• 5.1 ANSYS有限元分析氧化锆质定径水口温度分布37-39
• 5.2 模拟实验39-40
• 5.3 模拟实验后定径水口的分析40-48
• 5.3.1 不同冷却方式对氧化锆质定径水口矿物组成的影响40-42
• 5.3.2 不同温度对氧化锆质定径水口矿物组成的影响42-44
• 5.3.3 不同冷却方式下各组试样的显微结构及微区成分分析44-47
• 5.3.4 不同温度对氧化锆质定径水口显微结构的影响47-48
• 5.4 本章小结48-51
• 6 连铸用后定径水口损毁机理分析51-55
• 6.1 连铸现场试验51
• 6.2 用后残样的矿物相组成分析51-52
• 6.3 用后残样的显微结构及微区成分分析52-53
• 6.4 本章小结53-55
• 7 结论55-57
• 参考文献57-61
• 硕士研究生阶段科研成果61-63
• 致谢63

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本文编号：930510