回收滑板再生料在钢包控流系统复合下水口的应用

  滑板作为钢包控流系统的关键元件，在连铸生产中起着很重要的作用。滑板主要的组成原材料为板状刚玉、白刚玉、铝矾土熟料、金属铝等。在生产的全部过程中，滑板因经受钢水冲刷、侵蚀作用及滑板接触面频繁滑动等因素，会出现扩径、被氧化、被侵蚀导致损毁现象。然而，损坏区域大多分布在在滑板铸孔及工作面滑道部位。在废弃的滑板中，滑板主体材质并未发生改变，只要把堵塞的钢渣去除，并去掉金属构件，可完全再利用。因此，用后滑板的回收利用具备极高的价值和经济效益。

  下水口是钢包控流系统中配合滑板的另一核心部件。其使用工况与滑板相近，将用后滑板回收利用于下水口具备比较好的应用前景。王守权等采用铸孔镶嵌的方式再次利用了废旧滑板。Plešingerová等通过改变MgO的含量来改善耐火材料的显微结构，来提升滑板的抗渣侵蚀性。金利萍通过回收废弃的滑板，将其粉碎，在连铸用的滑板中配入40%～60%的滑板屑，在实际应用后达到了延长其寿命及降低单耗的效果。王建筑和赵俊学研究了滑板再生料加入量对连铸用Al₂O₃-C材料性能的影响。实验根据结果得出，采用配加滑板再生料15%的Al₂O₃-C质耐火材料效果良好。Liu等研究了废黄铜冶炼炉衬硅铝质耐火材料的腐蚀行为。Maciej等将再生镁碳骨料作为新型MgO-C耐火材料的组成部分，制备出达到钢厂冶炼要求的钢包用MgO-C耐火材料，其抗热震性能较好。综上可知，通过对不同品种用后耐材采用不一样的处理工艺，可制备出高档再生耐火原料，提高废旧耐火材料的再利用率。针对水口内部的缺陷分析，目前将数值模拟和实验相结合，取得了较好的效果。刘辉敏等通过有限元法准确预测了长水口的抗热震性能。Tang等模拟分析了机械侵蚀对铸造过程中水口开裂行为的影响。Li等采用有限元数值模拟方法对材料的开裂行为进行了预测和结构的优化设计。Rong等从铸钢过程中的温度变化幅度较大引起的热应力方面阐述了机械侵蚀过程。皮怀玉等研究将陶瓷复合铝锆碳水口应用于低合金钢中。李哲等对三流非对称中间包的流场进行了数值模拟分析。田响宇等在内衬材料中添加Al(OH)₃提升长水口的抗热震性，并建立了内衬材料显微组织与性能及长水口颈部最大热应力数学模型。上述研究表明水口的材质和结构对性能和常规使用的寿命有较大的影响。

  本实验研究对象是我国西南某钢厂的120吨钢包用下水口。该下水口由85铝矾土熟料、板状刚玉、氧化铝微粉、金属铝和少量石墨组成，常规使用的寿命3次，下水口初始孔径为60mm,钢包单炉浇铸时间约为45～50min,使用3次后直径扩大为69～72mm。本研究拟对用后免烧滑板做处理获得滑板再生料，采用双面加压成型工艺制备复合结构的下水口层，使复合下水口具有不低于现有均质下水口的常规使用的寿命。由于下水口使用的过程中，除铸孔及子母台与钢水接触外，别的部位不与钢水接触，因此，参照复合滑板、长水口和定径水口等产品复合成型经验,在保证下水口结构和稳定性很高的前提下，本研究提出设计一种新型复合结构的下水口，达到减少相关成本的目的。

  首先对用后复合滑板的铸孔部位以及复合层分别取样，采用扫描电镜和能谱仪对滑板铸孔部位及复合层进行SEM观测。然后，将用后复合滑板表面杂物清洗整理干净后进行破碎等处理，得到粒径范围为0～0.15mm、0.15～1mm和1～4mm的三种滑板再生料，并对其进行化学成分分析和XRD物相分析。

  如表1所示，复合下水口靠近铸孔区域采用材料配比为B,其他区域的复合层采用材料配比为A,以85铝矾土熟料和石墨为初始组成。滑板再生料以A1-52%、A2-67%、A3-77%和A5-87%的比例替代87%铝矾土熟料，研究再生料比例对性能的影响。将三种粒径范围的滑板再生料按A3、A4、A5、A6四种比例替代87%铝矾土熟料，研究再生料粒度对性能的影响。按照实验配比进行原料准备、称量、混练、困料后，采用锻压机在630吨的压力下压制成尺寸为250mm×150mm×100mm的砖，再在480K的干燥箱中处理16h后，切成条状样和圆柱样进行显气孔率和体积密度检测。采用GWL-17-20型高温重烧试验炉对条状样试样(尺寸为25mm×25mm×125mm)分别进行1000℃3h埋碳和1550℃3h埋碳处理，使用XQK-03型显气孔体密测定仪对圆柱试样(尺寸为50mm×50mm)进行显气孔率和体积密度检测。使用MOR-50Y型常温抗折试验机对尺寸为25mm×25mm×125mm试样进行常温抗折强度检验测试;使用YAW5106型微机控制伺服压力试验机对尺寸为25mm×25mm×125mm的试样进行常温耐压强度检验测试。对复合下水口B/A4布料的复合水口进行传统加压成型和双面加压成型，其示意图如图1所示。

  图1(a)为采用传统压制成型示意图。水口内模、外模和工作台是固定的，通过锤头打击盖板进行压制成型。由于传统的成型方式使成型压力逐步衰减，造成水口中下部体积密度明显低于上部。从图1(b)双面加压成型示意图中可见，水口模具以及浮动台是浮动的。当布料完成，压力机轻压盖板2次后将垫片取出，这时整个浮动台具有一定的向下浮动距离。当锤头压制盖板时，浮动台向下运动，弹簧压缩，从而使水口坯体受到上、下两个方向的压力，以提高水口中下部的体积密度。

  测试加压成型后复合下水口的显气孔率和体积密度，并进行工业试验，分别使用1次、2次和3次，测量每次用后下水口的扩径情况，观察复合下水口的裂纹分布情况。

  复合滑板在实际的使用的过程中会受到机械侵蚀和化学侵蚀，在与钢液接触的界面处会出现侵蚀区、变质层和基质层。对用后复合滑板的铸孔侵蚀区、变质层、基质层以及其他区域的复合层取样，采用SEM和EDS进行显微结构分析，结果如图2所示。图2(a)为滑板铸孔部位钢渣侵蚀界面图，能够正常的看到部分板状刚玉骨料(A与B区域)被熔渣侵蚀，发生剥离现象，熔渣沿着基质向内部进行渗透。在滑板变质层中发现了SiC存在(C区域),这可能是滑板中有未反应的SiC。在图2(b)中，则发现变质层中B₄C的存在(D区域),且B₄C部分发生了氧化。图2(c)显示在滑板铸孔基质中存在Al₄C₃(E区域)。图2(d)是滑板复合层放大后的显微结构。在复合层中发现Si的存在，复合层中大部分骨料及细颗粒均为铝矾土熟料(F区域)。通过对滑板铸孔部位及复合层进行SEM观察可知，滑板铸孔部位主要物料组成为板状刚玉，基质中有SiC、B₄C和Al₄C₃的存在;滑板复合层主要组成为铝矾土熟料，基质中有单质硅存在。对复合滑板做处理可获得不同粒度的滑板再生料。对粒径范围为1～4mm、0.15～1mm的滑板再生料分别取样，进行化学成分和XRD物相分析，结果如表2和图3所示。

  从表2可见，滑板再生料1～4mm中Al₂O₃含量达到77.21%,并含有1.32%的金属Al,0.15～1mm滑板再生料中Al₂O₃含量达到64.65%以上，金属Al含量达到3.69%。从图3中能够准确的看出，滑板再生料1～4mm中以α-Al₂O₃(约68%)和莫来石相(27%)为主，还含有少量β-Al₂O₃、Si和Al。滑板再生料0.15～1mm中以a-Al₂O₃(约66%)、莫来石相(16%)、C(11%)为主，以及少量β-Al₂O₃、Al和Si。根据行业复合滑板研究结果，复合滑板的铸孔区域及滑道区域以板状刚玉、氧化铝微粉及添加剂(金属铝粉、单质硅粉等)为主，总碳含量在2%～3%,复合层以80高铝矾土熟料、85高铝矾土熟料、石墨和添加剂(单质硅粉等)为主，复合层总碳含量约为7%～8%,可见滑板铸孔及滑道区域强度明显高于复合层。同时再生料经过破碎、水化和两次筛分处理后，假颗粒现象明显减少，导致0.15～1mm粒度中石墨、Al等含量明显高于1～4mm粒度，尤其是总碳含量偏高。通过以上分析可知，滑板再生料以刚玉相和莫来石相为主，在下水口中将滑板再生料以特殊的比例替代85铝矾土熟料具有可行性。

  试样经过1000℃和1550℃埋碳处理3h后，体积密度和显气孔率的检测结果如图4和图5所示。

  从图4和图5中能够正常的看到(结合图2),以刚玉为主要组成的样品B结合图，相比右边6组试样，其体积密度最大，显气孔率最低。从图4可见，A1、A2、A3、A4、A5和A6样品是在样品配比A的基础上，采用滑板再生料按比例取代85铝矾土熟料。由于滑板再生料的体积密度低于85铝矾土熟料，随着滑板再生料加入比例提高，试样的体积密度呈下降趋势。从图5可见，试样在1000℃和1550℃埋碳处理3h后，酚醛树脂被碳化，试样的显气孔率上升。滑板再生料部分为假颗粒，其显气孔率明显高于85铝矾土熟料。随着滑板再生料的加入比例提高，试样的显气孔率呈上涨的趋势。实验配比方案中A3、A4、A5、A6四种方案与三种粒径范围的滑板再生料细颗粒的加入量对试样性能的影响进行了对比，可知A4试样的性能略优，即体积密度相对较大，显气孔率较低，这主要与滑板再生料粒度偏细有关。

  图6和图7分别是经不一样的温度处理后试样的耐压强度和抗折强度对比图。从图6能够准确的看出，试样在200℃时强度最高，1000℃时耐压强度较低，而1500℃试样的耐压强度则高于1000℃试样强度。200℃时酚醛树脂固化后，提高了试样的常温强度;试样经1000℃埋碳处理后，酚醛树脂被碳化后形成无定形玻璃态结构，此时试样其他组分未形成陶瓷增强相，试样的强度下降;试样经1550℃埋碳处理后，试样中的Al与C反应形成Al₄C₃陶瓷增强相，Al₂O₃与SiO₂部分形成莫来石A₃S₂,以及液相烧结提高了试样的耐压强度。实验配比A1、A2、A3、A4、A5、A6对比了细颗粒滑板再生料加入对试样性能的影响，能够正常的看到A4试样的耐压性能略优。

  从图7中能够准确的看出，经1000℃埋碳处理后试样的抗折强度最低，是因为试样中酚醛树脂碳化后形成无定形玻璃态，试样强度下降。而1550℃,16h埋碳处理后试样的抗折强度显著提升，这与Al₄C₃陶瓷增强相等形成有关。考虑复合层的物理性能指标和成本因素，最终选择配比A4作为复合层，即滑板再生料加入比例为77%,85铝矾土熟料加入比例为20%。

  本研究设计的复合下水口结构如图8所示。靠近轴线的区域选用B材料，边部区域实际生产中选用A4配比的材料。为了验证双面加压成型对下水口物理指标的影响效果，现对相同成分布料的复合水口进行传统压制成型和双面加压成型。进行显气孔率和体积密度检测后，结果如图8和图9所示。能够准确的看出：复合下水口顶部(S1)的体积密度最大，显气孔率最低;而S4的体积密度最小，显气孔率最大。

  传统的水口压制成型采取的是摩擦压力机单面加压成型，由于压力逐渐递减，造成水口上、中、下部致密度存在比较大差异。然而，与传统成型方式相比，双面加压成型中的浮动工作台中成型锤头对水口内模腔内泥料进行压制，形成向下压力，而底板则向上挤压水口下部泥料，最终达到对下水口进行上、下双面加压目的，显著改善了复合下水口上、下部密度梯度，使得复合下水口性能更稳定。

  对复合下水口B/A4进行工业试验，分别使用1次、2次和3次，测量每次用后下水口的扩径情况，观察复合下水口的裂纹分布情况。图10(a)是复合下水口B/A4使用1次后的形貌。铸孔部位最大直径为63mm,水口内壁无纵向或横向裂纹，沿轴线的剖面能够正常的看到本体B与复合层A4结合处无分层、裂纹现象存在。使用2次后的形貌如图10(b)所示，铸孔部位最大直径为67.5mm,下水口内壁无纵向或横向裂纹，复合下水口本体B与复合层A4结合处无分层、裂纹现象存在，复合下水口变径部位无明显裂纹现象。图10(c)是复合下水口B/A4使用3次后的形貌，下水口内壁无纵向或横向裂纹，铸孔部位最大直径为70.8mm,这与均质B下水口使用3次后铸孔直径69～72mm水平相当。复合下水口本体B与复合层A4结合处无分层、裂纹现象存在，但下水口变径处复合层外部存在横向裂纹，横向裂纹长度约为4mm,无纵向裂纹。经测量，下水口铸孔两边本体B残厚≥12mm,能确保安全使用。

  通过以上试验说明，复合下水口B/A4使用效果与均质下水口B相当，使用3次后复合层A4与本体B之间无分层和裂纹现象，但从复合下水口剖开面能够正常的看到复合结构布料存在不均匀现象，这有必要进行更深入地研究和探索。

  本研究采用XRD、SEM和EDS等实验手段对用后滑板和滑板再生料的显微组织架构进行分析，分析了不同滑板再生料比例替代85铝矾土熟料对下水口性能的影响，采用铸钢工业试验做验证。结果表明：

  1.滑板铸孔和滑道部位主要组成为板状刚玉，基质中有SiC、B4C和Al₄C₃存在，而滑板复合层主要组成为铝矾土熟料。用后复合滑板制备的滑板再生料以刚玉相和莫来石相为主。

  2.随着滑板再生料替代85铝矾土熟料的比例增加，试样的体积密度呈下降趋势，显气孔率呈上升趋势。

  3.试样经1550℃埋碳处理后，试样中的Al与C反应形成Al₄C₃陶瓷增强相，Al₂O₃与SiO₂部分形成莫来石A₃S₂,以及液相烧结提高了试样的耐压强度和抗折强度。

  4.通过加料筒和浮动工作台双面加压成型，复合下水口上下部密度梯度显著改善，复合下水口B/A4的使用效果与均质下水口B相当，使用3次后无分层和裂纹现象，提高了复合下水口的稳定性。本研究可为滑板再生料在复合下水口中的应用提供较好的理论依照。