[发明专利]薄带连铸用氮化硼质陶瓷侧封板及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及钢铁连铸技术领域，具体地指一种薄带连铸用氮化硼质陶瓷侧封板及其制备方法。

背景技术

薄带连铸是钢铁带材工业生产领域内的一项革命性短工艺流程，它从根本上改变了钢铁工业薄型钢材的生产过程，取消了连铸(铸锭)、粗轧、热连轧及相关的加热、切头等一系列常规工序，开创了将钢水经中间包直接浇注，并直接轧制成数毫米厚的薄型板材的高效、节能、环保的最新型技术和工艺。侧封板技术是薄带连铸技术中的最关键技术之一，是影响薄带连铸过程中铸带质量和工艺稳定性的关键因素。目前，主要有电磁侧封、气体侧封和固体侧封三种侧封方式，其中气体侧封作为一种新的侧封技术刚刚被人提出，大多处于基础理论研究阶段。电磁侧封技术存在设备复杂，磁场不易控制，技术水平远未达到工业化生产的要求。固体侧封是目前技术最成熟、也是最接近实用条件的一种侧封方法。

目前，国内外研究和开发的固体侧封板绝大部分都不能满足工业生产的要求，如：《Ceramic plates for side dams of twin-drum continuous strip casters》(Nose等人，美国专利US7208433)使用的是一种利用稀土石榴石、塞隆以及BN(氮化硼)复合材料制备陶瓷侧封板，专利中报道该种侧封板具有较低的热导率(热导率≤10W/m·K)，并且具有较好的抗热震性能。《Pressure-sintered polycpystalline mixed materials with a base of hexagonal boron nitride,oxides and carbides》(Sindlhauser等人，美国专利US4885264)对氮化硼-氧化物基复合材料和氮化硼-非氧化物复合材料制备陶瓷侧封板进行了研究，实验中在BN-ZrO₂基体中分别加入了SiC、ZrC，在真空条件下于1500～1800℃热压烧结制备成陶瓷复合材料。这两种材料的性能测试结果如下：分别达到理论密度的94％和95％，热导率分别为18W(m·K)^-1和14W(m·K)^-1(1000℃)，测试结果同时还发现，制成的这两种侧封板材料很致密，且具有很好的耐磨性、抗热震性和抗侵蚀性。《Composite material》(Guillo等人，美国专利US6667263)以六方氮化硼－氧化物(Al、Mg、Si、Ti的氧化物)为基体，加入氮化物(Al、Si、Zr、Ti的氮化物)，在真空状态下热压烧结制备了陶瓷侧封板复合材料。实验结果表明，BN-Al₂O₃-Si₃N₄性能最好，Al₂O₃和Si₃N₄形成了固溶体，使材料具有好的抗热震性、耐磨性、耐蚀性和非润湿性。《Ceramic plate for side weir of twin-drum type continu-ous casting apparatus》(Takeuchi等人，美国专利US6843304)制备了BN-AlN-Si₃N₄-Al(或Al的等价物)陶瓷侧封板复合材料，其热导率小于8W·(m·K)^-1，抗热震性能和抗钢水侵蚀性能良好。《薄带连铸用侧封板及制造方法》(许宏杰和田守信，中国专利CN102161082A)利用氮化硼、硼化锆、石墨以及碳纤维制备了薄带连铸用陶瓷侧封板，该专利中报道其热导率为22W·(m·K)^-1，抗氧化性能和耐磨损性能较好，但该种侧封板使用寿命短。《双辊薄带连铸侧封板及其制作方法》(田守信等人，中国专利CN101648260A)利用一种氮化硼材质的面板和一种铝硅系保温隔热材料的基板制作了一种复合侧封板，该专利中报道该种复合侧封板的保温性能良好，但是这种侧封板的抗热震性能不佳，导致侧封板使用寿命不长。《一种用于薄带连铸侧封板的陶瓷复合材料及其制备方法》(王玉金等人，中国专利CN102173792A)该专利中系统报道了利用氮化硼、碳化物、氮化物以及氧化物作为侧封板的制作方法，该专利所制备的侧封板致密度为94％～99％，室温抗弯强度为260～420MPa，断裂韧性为3～8MPa·m^1/2，虽然在强度方面满足了侧封板的使用要求，但其使用过程中由于抵抗钢水的热冲击差，使用寿命很短。总体而言，国内外对侧封板材质均进行了大量的研究，国外侧封板少部分已经进行了商品化生产，国内的侧封板研究尚处于实验室研究和模拟实验当中，还未能生产出符合使用要求的陶瓷侧封板，此关键技术仍然制约着薄带连铸的工业化进程。国外所制备的侧封板虽然优于国内侧封板，但是或多或少存在如抗钢水化学侵蚀性不佳，抗热震性差以及耐磨性差等问题。综合性能较优的侧封板，其长时间使用过程中仍然会存在上述问题。这是因为，一般情况下，在保证侧封板具有好的抗热震性的同时，不能保证侧封板具有低的热导率，这就使得侧封板表面很容易产生冷块，从而导致侧封板被磨损，缩短寿命。另一个方面，在烧结大体积高致密度的侧封板时，很难使得侧封板物相组成及微观组织均一，这就使得侧封板内部出现热膨胀不匹配，从而导致侧封板在使用过程中发生热震破坏。侧封板选用材质如果与钢水非润湿性差，则侧封板在使用过程中更容易与钢水发生侵蚀破坏。因此，研究和开发高性能陶瓷侧封板材料对薄带连铸的工业化生产具有重要意义。