钢铁冶金用BN-ZrO2-SiC复合材料的组成、结构与性能研究

作     者：贺远航 

作者单位：中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司 

学位级别：硕士

导师姓名：刘国齐

授予年度：2023年

学科分类：080602[工学-钢铁冶金] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 0806[工学-冶金工程] 

主      题：BN-ZrO2-SiC 抗氧化性 烧结性能 抗钢液侵蚀性 钢铁冶金 

摘      要：BN-ZrO陶瓷广泛应用于钢铁冶金用关键部件,如薄带连铸侧封板和非晶制带喷嘴,强度与硬度低、抗氧化性差一直是制约BN-ZrO陶瓷使用寿命的关键因素。为了提高BN-ZrO陶瓷的服役性能,本工作首先在BN-ZrO体系中引入了SiC,研究了SiC含量对BN-ZrO-SiC复合材料结构和性能的影响。结果表明,随着SiC加入量增多,BN-ZrO-SiC复合材料的相对密度逐渐减小,抗弯强度和硬度先增大后减小,热膨胀系数减小,热导率逐渐增大,抗热震性提高,抗侵蚀性降低。随着SiC含量增多,氧化层中硼硅酸玻璃相含量增多,更加致密,阻碍氧气渗入,材料的氧化厚度逐渐降低。随着氧化温度的升高,氧化层厚度增大,主要是由于温度升高BO蒸汽压增大导致。BN-ZrO-SiC复合材料侵蚀过程为:除了溶解于钢水外,BN和SiC被钢液中的溶解氧氧化,BN的氧化产物BO在1550℃高温下挥发,SiC的氧化产物Si O一部分被钢液溶解掉,另一部分则黏附于ZrO颗粒之间,促进ZrO的团聚或者烧结,形成富ZrO反应层,随着钢液的不断侵蚀,富ZrO反应层逐渐掉落进入钢液,不同SiC含量时侵蚀层呈现出不同的显微结构。随着SiC含量增多,BN-ZrO-SiC复合材料被钢液侵蚀的厚度逐渐增大,主要与SiC的溶解和氧化有关。由前部分试验可知,随SiC含量增加BN-ZrO-SiC复合材料的抗弯强度和硬度先增大后减小,抗热震性和抗氧化性逐渐增强,但致密度逐渐降低。为了进一步优化材料的性能,尤其烧结性能和抗氧化性,采用不同的原料和添加剂热压烧结制备了BN-ZrO-SiC复合材料,研究了不同种类的原料和添加剂对BN-ZrO-SiC复合材料结构和性能的影响,结果表明原料是影响材料性能的重要因素,BN粒度增大和3Y-ZrO作为锆源均减小了试样的致密度。Mg O+AlO、YO+AlO、BC的添加对BN-ZrO-SiC复合材料的烧结均有促进作用,而高温真空环境下铝、硅易挥发,Al-Si合金不利于材料的烧结,试样的显气孔率分别为0.79%、8.4%、4.1%和24.2%。Mg O+AlO、YO+AlO、BC或Al-Si合金添加后,其对材料抗氧化性的影响除了与气孔率相关外,氧化后的结构也会对材料的抗氧化性产生一定的影响。Mg O+AlO或YO+AlO的添加增大了氧化层中玻璃相的黏度,促进了氧化层中ZrO团聚烧结,并且YO+AlO添加还导致玻璃相中溶解了少量ZrO。添加BC后,试样的氧化层中玻璃相含量较少,ZrO均匀分布,玻璃相填充于ZrO之间,形成了稳定的氧化层结构。在1550℃氧化1h后试样的氧化层厚度分别为9～13μm、4～6μm、16～30μm和200～400μm。