温度梯度对氧化锆质定径水口损毁的诱导作用

姚 爽 赵 亮 薛群虎 徐 亮 李 翔

1）长江师范学院 土木建筑工程学院 重庆408100

2）西安建筑科技大学 材料科学与工程学院 陕西西安710055

3）浙江自立高温科技股份有限公司 浙江上虞312300

4）青岛赛莱欧高温陶瓷有限公司 山东青岛266000

部分稳定氧化锆（PSZ）具有耐高温、耐磨损、耐化学腐蚀、抗氧化等优良性能，被广泛应用于军工、机械、催化、冶金、能源和生物等领域［1-3］。此外，部分稳定氧化锆的比热和热导率也较低，非常适用于制造热损失小的耐火材料元件，但低热导率会导致连铸过程中氧化锆质定径水口内部产生较大的温度梯度。在一些研究中，通常将氧化锆质定径水口的损毁因素分为物理损毁和化学损毁两大类［4-5］，却忽略了温度梯度对定径水口损毁产生的影响。由于连铸过程中定径水口被水口座砖和铝碳砖包裹，其所处温度难以直接测出，文献［6］结合用后定径水口原砖层、过渡层和变质层的厚度及其他相关参数，通过热力学分析软件ANSYS求解出连铸过程中水口的三维温度场分布规律，得出原砖层、过渡层和变质层在连铸过程中所处的温度分别在1 300、1 410和1 540℃左右。本研究中，分别以这3个温度对Mg-PSZ和（Mg，Y）-PSZ质定径水口原样进行热处理，模拟定径水口在连铸过程中所处的温度环境，分析连铸过程中温度梯度对定径水口原砖层、过渡层和变质层相组成和显微结构的作用规律，得出温度梯度对氧化锆质定径水口损毁的诱导作用。0*

1 试验

试样A为河南某公司生产的Mg-PSZ质定径水口原样，试样B为上海某公司生产的（Mg，Y）-PSZ质定径水口原样，其化学组成和物理性能如表1和表2所示，类型均为细颗粒型。

表1 氧化锆质定径水口的化学组成Table 1 Chemical composition of ZrO2 metering nozzle

采用HRY-01型高温蠕变炉对φ20 mm×75 mm的试样进行1 300、1 410和1 540℃下保温5 h热处理后水淬冷却。采用D／MAX 220型X射线衍射仪（XRD）分析试样的相组成，采用JXA-8100型电子探针（EPMA）观察试样的显微结构。

表2 氧化锆质定径水口的物理性能Table 2 Physical properties of ZrO2 metering nozzle

2 结果与讨论

2．1 相组成

在1 300、1 410和1 540℃保温5 h热处理再水淬冷却后试样A和B的XRD图谱如图1所示。

图1 经不同温度处理后试样A和B的XRD图谱Fig．1 XRD patterns of the samples A and B heat-treated atdifferent temperatures

由图1可看出，温度对试样A和B的相组成影响明显。试样A和B均由单斜相（m-ZrO2）和立方相（c-ZrO2）组成，随着温度的升高，立方相（111）晶面的相对强度Ic升高，单斜相（111）晶面的相对强度Im降低，单斜相（-111）晶面的相对强度Im也降低。单斜相的体积分数可由式（1）获得［7］，立方相的体积分数为：100%-φ（m-ZrO2）。试样中单斜相和立方相的体积分数计算结果如图2所示。

式中：Im为单斜相的相对强度；Ic为立方相的相对强度。

图2 试样中单斜相和立方相的体积分数Fig．2 Volume fractions of monoclinic and cubic zirconia phases in samples

由图2可知，随着热处理温度的提高，试样A和B中m-ZrO2相含量均减少，相应地，c-ZrO2相含量增加。

2．2 显微结构

图3给出了在1 300、1 410及1 540℃热处理后试样A和B的SEM照片。

图3 各试样的SEM照片Fig．3 SEM photos of samples

由图3可以看出，随着热处理温度的提高，试样A和B的晶粒均发生长大。在连铸过程中，定径水口的原砖层、过渡层和变质层颗粒尺寸会因为所处温度区域不同而发生变化，越接近钢水区域的PSZ晶粒尺寸会越大。

2．3 讨论分析

在连铸过程中产生的温度梯度会造成氧化锆质定径水口物相随着温度的升高由m-ZrO2向c-ZrO2转变，从而导致1 540℃时（此温度对应变质层）的c-ZrO2含量最高，1 310℃时（此温度对应原砖层）c-ZrO2含量最低，而且PSZ晶粒从原砖层到变质层发生了生长。由于在连铸过程中定径水口还会受到钢渣的侵蚀作用，造成变质层c-ZrO2向m-ZrO2转变和晶粒破裂，并逐渐向过渡层和原砖层发展［8］，于是在温度梯度和钢渣侵蚀的协同作用下（见图4），会造成定径水口中m-ZrO2c-ZrO2相变的持续发生。因为m-ZrO2和c-ZrO2相具有不同的热膨胀系数，相变引起的晶粒膨胀和收缩会加速PSZ颗粒破裂，并降低颗粒间结合力。同时定径水口由于各层间温差和钢渣侵蚀引起的持续晶粒生长和破裂，亦会产生应力作用，加速定径水口的损毁，因此温度梯度对氧化锆质定径水口损毁具有明显的诱导作用。

图4 协同作用示意图Fig．4 Schematic of comprehensive action

3 结论

定径水口原样分别在1 300、1 410和1 540℃保温5 h后水淬冷却，试样中的c-ZrO2、m-ZrO2矿物相含量和晶粒尺寸均发生了显著变化。随着热处理温度的提高，c-ZrO2相含量增加，m-ZrO2相含量减少，晶粒尺寸增大，说明连铸过程中定径水口中产生的温度梯度会对其相组成和显微结构产生影响，并通过与钢渣侵蚀的协同作用，诱导定径水口损毁加速，从而降低其性能和使用寿命。