部分稳定氧化锆质定径水口高温电性能与抗侵蚀性能研究

发布时间：2020-05-03 19:39

【摘要】：近几年,随着中间包寿命大幅提高,定径水口使用寿命远低于中间包寿命。为了实现与中间包包衬材料同寿命,研究定径水口损毁机理提高其使用寿命具有非常重要的意义。目前,钢铁工业连续铸坯使用的定径水口原料是以粒径为50μm左右的部分稳定氧化锆(PSZ)颗粒为骨料,基质部分采用粒径较小的单斜氧化锆和稳定剂共磨粉,通过1700℃以上烧结反应形成PSZ质定径水口。骨料中稳定剂的掺入量不易根据定径水口的需求进行调整。基于以上考虑,本课题模拟氧化锆质定径水口基质组成和烧结稳定过程,通过在脱硅单斜氧化锆中添加不同种类及数量的稳定剂,其中稳定剂的种类、掺入量(质量分数)及试样编号分别为2%CaO(A1)、4%CaO(A2)、6%CaO(A3)、2%MgO(B1)、2.5%MgO(B2)、3%MgO(B3)、1.8%Y2O3(C1)、3.6%Y2O3(C2)、5.4%Y2O3(C3)。借助X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)及能谱分析(EDS)等检测手段,研究了不同种类稳定剂及掺入量对试样的物理性能、相组成和显微结构变化的影响;根据定径水口使用中杂质扩散的区域和温度范围,测定了不同试样室温到1350℃的电导率;模拟定径水口使用温度,采用静态坩埚法测定了其抗侵蚀性能。为探究PSZ定径水口中氧空位迁移、杂质离子扩散和抗侵蚀性能关系提供理论依据。实验研究得出以下结论:(1)随着稳定剂掺入量的增加,烧成后各试样中稳定相ZrO2(c+t-ZrO2)含量明显增加,单斜相(m-Zr O2)明显减少。(2)3种稳定剂稳定的ZrO2试样经1710℃烧成后,同种稳定剂的不同掺入量,试样的晶粒大小变化并不明显。不同种类稳定剂稳定的ZrO2试样体积密度、显气孔率及微观结构差别明显。Y2O3稳定的ZrO2(Y-PSZ)试样烧成后结构最致密,有少量分布均匀的气孔存在;MgO稳定的ZrO2(Mg-PSZ)试样结合不致密,裂纹较多但无气孔存在;CaO稳定的ZrO2(Ca-PSZ)试样结构致密,但存在大量的晶内气孔及少量连通气孔,其体积密度最低。(3)试样的电导率均随测试温度的升高而增大;在相同温度下试样的电导率随稳定剂掺入量(一定范围内)的增大而升高。不同相组成的ZrO2质材料,其高低温区电导率存在显著差异,立方相及四方相含量的增加有助于电导率的提高。(4)侵蚀后的所有试样其侵蚀层相组成几乎全为稳定的ZrO2(t+c-ZrO2),原砖层与过渡层相组成变化不明显。Y-PSZ抗侵蚀性能最佳,Mg-PSZ次之,Ca-PSZ抗侵蚀性能最差。熔渣的渗透扩散和稳定剂的脱溶主要通过气孔与裂纹发生,气孔的存在不仅使试样抗侵蚀性能减弱,也降低了试样的电导率。
【图文】：

浇铸系统,塞棒,中间包,钢液

1—中间包；2—定径水口；3—镶嵌体；4—水口本体图 2.1 中间包无塞棒浇铸系统[14]中间包耐火材料包括永久层浇注料、工作层干式料、水口及座砖、挡渣墙和连铸三大件[15]。（1）永久层永久层介于工作层与中包壳之间，不与钢液和钢渣直接接触，主要起隔热护包壳的作用，一般用铝镁浇注料浇注[15]。（2）工作层工作层与钢液、钢渣直接接触，需要承受钢液的冲刷、钢渣的侵蚀和渗透作层大多采用镁质干式料，镁质干式料抗渣性好、施工方便、易于解体，还到净化钢液的作用[15]。（3）水口及座砖中包水口是钢液从中间包进入结晶器的通道，需要承受钢液的冲刷和温度剧变化；座砖则是起到保护和固定水口的作用，不与钢液直接接触；中包水

定径水口,氧化锆,生产工艺流程

西安建筑科技大学硕士学位论文6图 2.2 氧化锆质定径水口生产工艺流程图2.2.2 定径水口的损毁定径水口在浇铸过程中承受着钢水及钢水中某些夹杂物的化学侵蚀、由于温度的急剧变化所产生的热应力、钢水对水口的机械冲刷、以及冷钢粘附后引起的应力剥落等诸多因素的影响，因此其损毁形式主要表现为堵塞、扩径、开裂和脱落[20]。在使用过程中，扩径是影响水口连浇次数的主要因素。定径水口扩径将导致过多钢水流入结晶器，相应的铸坯拉速会被迫提高，容易造成漏钢事故而停浇。氧化锆定径水口的损毁过程非常复杂，它是在高温下与钢液及钢渣物理和化学作用的综合结果，因此，其损毁机理可分为高温物理作用和高温化学作用两大类[21-23]：（1）物理损毁：热冲击与机械冲刷损伤。定径水口在使用过程中，开浇前后温差较大（浇铸温度 1550℃左右），而且是迅速升温，致使水口受热不均即承受了剧烈热冲击，热冲击使定径水口内部产生巨大热应力，导致其产生细微裂纹。随着浇钢过程继续进行，这些细微裂纹加快了钢液及钢渣向水口内部的侵蚀和渗透，进一步促使裂纹扩展产生宏观裂纹，如此循环最终导致定径水口扩径、炸裂及损毁。在定径水口损毁形式中，热冲击对水口的损伤最为严重。此外，流速较快的高温钢水会对水口产生强烈的热冲刷，，使其产生剥落、缺损等。[21]（2）化学损毁：①氧化锆中稳定剂脱溶。目前使用的定径水口原料为部分稳定氧化锆，主要化学成分是 ZrO2、少量稳定剂（CaO、MgO、Y2O3等）和微量杂质。定径水口在使用过程中，钢水及钢水中的夹杂物（MnO2、SiO2、MgO、Al2O3等）易与稳定剂（CaO、MgO 等）发生反应，形成低共熔物，随钢水流失。稳定剂的脱溶致使氧化锆失去稳定作用，立方相转变为单斜相，产生体
【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】：2017
【分类号】：TF341.6

【参考文献】