中间包用定径水口的生产工艺、损毁机理及现状存在问题
发布日期： 2020-12-31 14:52:35 阅读量（566） 作者：定径水口做为小方坯连铸用的关键功能耐火材料，起控制钢水流量的作用，决定着连铸中钢坯的拉速，是保证连铸正常运行的必要条件，被称为连铸功能耐火材料。定径水口除不能发生开浇炸裂、堵塞和脱落外，还要求其扩径速度不能过快，以满足长时间浇铸的要求。
为了达到节约成本的目的，三类不同功能的中间包耐火材料的理想使用状态是达到同步损毁，然而随着中间包第四代干式振动料/涂料工作衬应用，其使用寿命的大幅提高，最高可超过60小时，相比之下定径水口寿命未能与之匹配，是目前制约连铸中间包整体寿命提高的瓶颈。
目前，国内小方坯连铸中间包用定径水口的生产工艺一般为：以PSZ颗粒为10骨料，单斜氧化锆细粉添加氧化镁或氧化钙等稳定剂为基质，再加入少量的结合剂和添加剂，经过混炼和造粒后干压成型，烧成温度一般在1650℃~1760℃之间。其生产工艺流程如图1所示。
图1氧化锆质定径水口生产工艺流程示意图
定径水口的生产工艺对其使用性能起着至关重要的作用，原料的颗粒级配、混炼时间、成型压力、干燥方法与烧成制度等工艺参数都会影响到水口的各项性能。通过对造粒、成型、烧成等生产工艺因素的控制，可以提高定径水口的使用寿命。
根据构造可将定径水口分为均质定径水口、直接复合式定径水口和镶嵌式定径水口三类，如图2所示。
图2按工艺结构分类的定径水口
(1)均质定径水口。主要由锆英石或锆英石中添加氧化锆按一定比例直接混合后，经成型、干燥、烧结(烧成温度为1620-1650℃)而制成。含ZrO2为60-90%。其特点是整体性好，组成、性能和结构都比较均匀，而且强度大，耐侵蚀，使用性较好，但成本较高，寿命比较短。
(2)直接复合定径水口。为了降低生产成本，普通锆质定径水口可以做成直接复合型。这种定径水口在成型时内层与外层采用不同原料，水口本体由锆英石质材料制成，水口定径端的内孔部位(工作面)由错英石和氧化锆复合制成。复合部位的氧化锆含量为72%-78%。本体和复合部位同时成型，一次烧成，烧成温度为1620-1650℃。此种水口的成本比全均质定径水口低得多。由于水口本体和复合部位是同时成型和烧成，复合部位在使用时不会脱落。但是，由于氧化锆在1100-1250℃会发生相变并伴有体积变化，容易导致水口在使用时出现炸裂。因此，生产这种水口必须使用稳定氧化锆且含量不宜太高。由于稳定氧化锆与锆英石的热膨胀系数仍不一致，水口在使用时还可能会出现开裂。它的优点是水口整体性好，没有粘结缝，强度大，耐侵蚀性高，使用安全可靠，价格较低;缺点是制作难度大，需要解决两种原料热膨胀系数不一致的问题。
(3)镶嵌式定径水口。这种定径水口在生产时分为水口座砖和水口芯两部分，制成后以火泥镶嵌结合。座砖由高铝料制成，只起到固定和支撑内芯的作用，其功能性要求不高。内芯由于起着控流的关键作用，普遍采用氧化锆原料，具体成分和生产工艺可根据使用要求不同而调整，目前其生产中主要是采用高氧化锆含量(ZrO2>90%)的原料成型后经高温烧成以实现长寿化。镶嵌式定径水口解决了复合式水口因内外层热膨胀失配导致的开裂问题，热稳定性优于直接复合式定径水口，并且成本较低，寿命可以根据内芯ZrO2含量来调整，目前应用非常广泛。
根据生产定径水口所用原料的粒度大小可以分为粗颗粒型、细颗粒型和陶型定径水口三种。
(1)粗颗粒氧化锆定径水口
这种定径水口颗粒较粗(最大可达到2mm)，烧成的制品收缩小，热震稳定性好，使用中很少出现炸裂。但这种定径水口耐压强度低、显气孔率高，使其在使用中抗侵蚀抗和冲刷性能不佳，使用寿命低。
(2)细颗粒氧化锆定径水口
这种定径水口原料粒径均<50pm，烧成的制品组织结构均匀，显气孔率低、耐压强度高、抗冲刷和抗侵蚀性能好。但与粗颗粒型产品的热震稳定性相比，在开浇瞬间可能发生炸裂导致非正常停浇。
(3)陶瓷型氧化锆定径水口
这种定径水口所用原料粒径<5pm，烧成的制品显气孔率特别低，耐压强度高，使用寿命长，这使连铸过程不必频繁换中间包，减少停机(准备)时间和损耗，提高铸机的效率。但陶瓷型制品热震稳定性较差，使用时稍有不当就会出现水口炸裂，因此，在生产和使用陶瓷型氧化锆定径水口时，必须采取措施，降低水口开浇时所受的热应力。
定径水口的损毁
氧化锆质定径水口的损毁过程是其在高温下与钢渣、钢液相互作用的复杂的理化作用，具体的损毁机理被分为两大类：
(1)物理损毁：热机械冲刷损伤。定径水口在使用过程中，由于浇钢前后的温度差值很大(浇钢温度1540℃，受热不均，在水口内部产生巨大的热应力，导致水口产生微细裂纹。裂纹的产生降低了水口的强度和耐冲刷性，为钢液和钢渣向定径水口内部的渗透和侵蚀提供了方便。
(2)化学损毁：①氧化锆中稳定剂的脱溶。当下制备定径水口的最佳原料是部分稳定氧化锆，在浇钢过程中，稳定剂(氧化钙、氧化镁等)会与钢水以及钢水中的夹杂物(如Fe、Mn、Si等)反应生成低熔点的氧化物熔体，随钢水流走，并且氧化锆固溶体由于稳定剂的脱溶而失稳分解，结果会使立方相氧化锆数量减少，转变成单斜相小颗粒随钢水流失。②钢液及钢渣的渗透与侵蚀。由于稳定剂的脱溶，给钢液及钢渣向氧化锆颗粒渗透与侵润提供了一定的条件，造成了一部分粗颗粒的脱落，同时这种作用会使四方相氧化锆向单斜相转变，最终导致细颗粒的氧化锆从热面分离出来。
定径水口的发展现状与存在问题
由于氧化锆原料、产品烧成成本都较高，为降低其成本，目前实际生产应用中以镶嵌式氧化锆质定径水口为主，即水口外套采用价格较低的高铝或锆英石质材料，水口芯(工作面)用氧化锆以火泥镶嵌结合制成，达到多炉连浇的目的。
随着中间包包衬使用寿命延长，定径水口成为了制约连铸中间包整体寿命提高的瓶颈。针对此种情况，国内研发了中间包定径水口快换机构，并己投入生产。此装置能够在0.1s内，在确保不断流的情况下，将不能继续使用的下水口更换掉，延长了浇铸时间。目前国内大部分钢厂己采用此装置，连浇时间提高到20小时以上，最长可达到40多小时。
从实际应用来看，快换机构并不能无限延长水口的使用使命。虽然可以随时更换下水口，但在浇铸过程中上水口却不能更换，经过长时间使用后，上水口便会因为扩径太大等原因损毁而不能继续使用。因此，在使用定径水口快换机构的前提下，重点是需要提高水口自身的使用寿命。国外研究者在不降低水口热震稳
定性的情况下，通过表面改性的办法将水口的工作面(流钢面)致密化，将水口的使用寿命在原有基础上提高了1.4~1.5倍。
唐勋海等人以工业无机盐Zr℃h.8H2O作为前驱体，CO(NH2)2作为水解促凝剂，通过溶胶-凝胶法工艺对氧化锆质定径水口进行表面改性，结果表明，表面处理后试样的孔面积和孔体积明显降低，而且在不降低抗热震性能的情况下，定径水口的抗侵蚀性和抗冲刷性明显提高，使用寿命亦提高了1.4倍以上。
顾志华等人结合溶胶-凝胶法对工程陶瓷表面涂层进行处理工艺，利用氧化锆溶胶对定径水口毛坯进行表面处理，使水口表面致密化，明显降低了水口的气孔率，使水口结构更加致密从而有效阻止了水口扩径，为提高水口连浇时间奠定了基础。
高里存等人采用粉末成型工艺，合理控制颗粒级配和优化工艺参数，得到了显气孔率低、体积密度高、抗热震次数多的氧化锆质定径水口。
李翔、张会、赵亮通过在氧化锆原料中添加MgO-Al2O3-ZrO2复合粉来制备改性定径水口。Al2O3与稳定剂MgO形成的镁铝尖晶石由于体积膨胀填充了气孔，且防止了烧成过程中氧化锆颗粒的异常长大，因此提高了定径水口的致密度和强度。复合粉中MgO降低了镁铝尖晶石对原料中稳定剂MgO的消耗，减少了稳定剂的脱溶，从而保证了定径水口的稳定度，提高了水口的使用寿命。
相关阅读
免责声明：
本站部分文章来源于互联网，编辑转载目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点核对其真实性负责。
如涉及作品内容、版权和其他问题请书面发函至本公司，我们将在第一时间处理。
