滑动水口板耐材耐热震性的改善

1、前言 
　　作为滑动水口板耐材所要求的特性一般是耐热震性高、耐蚀性高和热态强度高等；为满足这些特性要求，因此广泛使用了Ah03—Zr02—(Si02)—C系材质。这种材质一般是在1000℃以上的高温中烧成，作为粘结剂添加的酚醛树脂会产生碳结合剂，同时添加的硅和铝以及这些合金等发生反应烧结后会产生金属结合剂，还有碳化物结合剂等可以提高耐材的强度。另一方面，添加铝并在500℃以下的温度中进行热处理后的所谓不烧滑动水口板耐材的特征是其耐蚀性和热态强度比烧成滑动水口板材质的高，但存在着常温下的强度差，热态下的体积稳定性和热负载后的耐热震性下降的问题，难以应用于大型耐材。
　　基于此因，开发了添加铝并在500—1000℃温度范围内进行热处理的轻烧滑动水口板。该材质既保持了不烧材质的高耐蚀性和高热态强度，又改善了常温强度和抗氧化性，且可用于大型耐材，因此用于浇铸高氧钢时，耐用性比烧成材质的大幅度提高。但是，这种材质用作浇铸普通钢用的大孔径滑动水口板时，能看见在水口孔周围出现了异常龟裂，孔径也比烧成材质的明显扩大。调查了其原因，并对所采取的措施进行了研究，取得了很大的改进效果，其结果介绍如下。

2、滑动水口板损毁的形态
　　根据添加铝并在500—1000℃的温度范围内进行热处理的所谓轻烧材质A在浇铸8炉后的耐火砖的外观和高温烧成材质B的观察可知，A材质工作面的表面粗糙度和熔损是极为轻微的，与烧成材质B相比，毫不逊色。滑动水口板的损毁形态有如下特征：
　　1)水口孔周围出现异常龟裂(环状龟裂)
　　2)水口孔的孔径扩大(滑动方向侧和滑动方向对侧的损毁大)
　　3)从水口孔开始形成放射状龟裂(大)
　　4)下滑板止滑区出现环状龟裂

3、损毁原因
　　滑动水口板在浇铸钢水时，由于内孔部暴露于高温中，因此可知水口孔的周围会向厚度方向膨胀：根据采用FEM计算的浇铸时滑动水口板内的温度分布可知，随着浇铸时间的延长，高温区域会扩大。根据浇铸1小时后的温度分布可知，铝反应的700℃以上的温度区域和截面上所看到的与铝反应的部分比较一致。

3.1水口孔周围的环状龟裂
　　由于浇铸时的内孔部分暴露于高温中，因此铝发生反应烧结后会形成坚固的组织。而且，该烧结部分会因钢水的热量而向厚度方向膨胀。可以推测，在这种状态下，由于滑板表面受到压力，尤其是受到滑动的影响，因此在厚度方向会产生剪切力，拉伸应力会作用于强度低的烧结部分和未烧结部分的边界部分，从而发生了龟裂。
　　在水口孔周围发生烧结前的状态下，把整个弹性模数作为同一值进行计算。此时，拉伸应力会作用于定缝安装销钉部上部，没有发生环状龟裂的可能性。另一方面，水月孔周围的弹性模数会因烧结而提高。此时，滑动面一侧的水口孔周围会产生拉伸应力。即使从数值方面来看，该数值足以产生龟裂。在假设整个滑动水口板的质量相同的情况下，不会发生环状龟裂，由于提高了水口孔周围的弹性模数，由此表明在实际中有可能发生环状龟裂。根据以上所述可以推定，水口孔周围由于受到烧结和弹性模数提高的影响，因此会产生拉伸应力，龟裂从砖的强度降到最低的反应部和未反应部的边界开始发生。
3.2 孔径的扩大
　　作为水口孔的孔径扩大原因，一般认为这是由于采用氧进行清洗等所产生的损毁和因钢水流动而产生的磨损及损毁而引起的，但在此次试验的情况下，根据水口孔的截面状况和显微组织，可以推定它与边缘损毁一孔径扩大有关。关于边缘损毁，有的研究认为它是由于膨胀的水口孔周围受到摩擦产生的拉伸剪切力而产生的。可以推定此次的损毁也是因同样的机理而产生的。根据各种特性对采用FEM计算的水口孔周围产生应力影响的比较可知，热膨胀和弹性模数的影响最大。根据以上所述可以认为，作为抑制水口孔扩大的措施，应降低热膨胀率和减小弹性模数；
3.3 放射状龟裂
　　即使在工业品的烧结材质系中，也能看到这种放射状龟裂。它主要发生在从水口孔向垂直于滑动方向的地方。由于受到来自垂直于滑动方向的约束，因此可以认为龟裂是受到这种约束而产生的。作为其措施，应提高滑动水口板耐材的耐震性。
3.4 滑板止滑区的环状龟裂
　　根据使用后的滑板截面和显微组织观察，在滑板止滑区能看到铝的反应。在反应部的组织和未反应部的组织中出现了体积裂缝，推定它是产生龟裂的原因。

4、抑制损毁的措施
　　根据以上调查，发现以下4点会对滑动水口板耐材的耐用性产生直接影响：1)水口板周围的龟裂；2)水口孔径的扩大；3)作为抑制放射性龟裂发生的措施，对①降低耐材的热膨胀率，②减小耐材的弹性模数(热处理后的弹性模数)进行了研究；4)关于止滑区的环状龟裂，虽然尚未找出有效的手段，但损毁形态并不决定耐用性，因此需要继续研究。

4.1 降低热膨胀率的研究
　　研究了可应用于烧成材质的低膨胀性原料的使用问题。作为热膨胀率最低的原料，使用了氧化锆系原料。另外，还研究了膨胀性更低的碳化硅原料的添加量，结果可知，为进一步降低膨胀率，应增加碳的添加量，因此将碳的添加量增加了一倍。调查了各种碳原料对材质A在增加碳添加量后热膨胀率的影响，结果采用了对降低热膨胀率最有效的沥青系原料。
4.2 减小弹性模数的研究
　　为抑制因铝烧结而导致弹性模数升高的问题，碳的作用很重要。根据碳添加量增加后的热处理温度和弹性模数的关系可知，材质A含有铝，进行热处理后，弹性模数会因烧结而明显升高。另一方面，烧成材质B受热处理温度的影响小。根据热处理后弹性模数的比较，决定采用弹性模数最低、热处理后弹性模数变化也小的人造碳。
　　在以上研究结果的基础上，制作了在材质A中添加氧化锆系原料，增加碳化硅原料添加量的低碳材质C和为进一步降低膨胀率和减小弹性模数，将碳添加量增加—倍的中碳材质D。材质D同时添加了沥青系原料和人造碳。下表示出各材质的质量。

各材质的物理性能

4.3 各材质的质量
　　材质C和D由于增加了低膨胀性原料的添加量，因此热膨胀率大幅度—卜降。材质D的膨胀率低，与作为工业品的材质B基本相同。
另外，其耐热震性比材质A和B有很大的提高。但是，由于ZrO2和SiO2成分的增加，因此耐蚀性下降。另外，关于材质D，由于增加了碳添加量，因此抗氧化性也呈下降的趋势。在实际使用时，由于工作面的熔损和氧化极为轻微，因此可以判断在使用上没问题，把两种材质都应用于实际试验。

5、实际使用结果
5.1 材质C
　　在使用8炉后的材质C中看不到材质A中所见的水口孔周围的环状龟裂。而且，因水口孔而产生的放射状龟裂也减轻。另外，工作面的状况也良好。但是，依然能看到水口孔的孔径扩大和下滑板止滑区出现环状龟裂；从材质C使用后的截面照片上来看，虽然水口孔周围没有环状龟裂，但内部水口孔周围仍存在从定缝安装销钉部向滑动面漫延的龟裂，说明热膨胀和弹性模数的改善仍不够。
5.2 材质D
　　使用8炉后的材质D与其它材质相比，材质D的水口孔环状龟裂、水口孔的孔径扩大和水口孔的放射性龟裂都最为轻微，其耐用性与作为工业品的烧成材质相等或更高。从材质D的截面照片也可知，材质D的龟裂极为轻微。虽然下滑板止滑区的环状龟裂依然能看到，但可知在使用上是没问题的。