超高拉速长寿命浸入式下水口研究及应用

谭杜 鲍志 鲍颢文

摘要为了满足高拉速铸机生产条件下，浸入式下水口能适应生产及降低成本的要求，本文通过对耐火材料进行研究，达到满足高拉速条件下浸入式下水口内壁具备耐冲刷性能和渣线部位耐侵蚀性，以此达到长寿命使用要求。

关键词  长寿命；浸入式下水口；耐侵蚀

0前言

在钢铁工业的发展过程中，连铸中间包用耐火材料快速发展，为连铸工艺技术的进步提供强有力的支撑。而目前连铸工艺使用的浸入式水口设计方案，一般都以树脂结合的Al2O3-C材料为主，为了加强抗侵蚀性，通常其渣线部位选用氧化锆、石墨等材料，由树脂结合成锆碳质材料，部分添加SiC、Si、Al、B4C等添加剂来提高材料的抗氧化性能，确保满足连铸工艺要求。但随着转炉冶炼节奏加快，小方坯铸机拉速最高达到5.73 m/min，而后续超高拉速连铸生产会成为一种先进连铸工艺或各钢厂追求的常态。在超高拉速生产条件下，为确保坯壳冷却效果及保护渣迅速溶解，保持一定的润滑性，防止卷渣等因素，要求保护渣碱度必须提高，熔点随之降低。为防止高拉速条件下，结晶器内液面波动过大，下水口浸入深度调整只能在10～20 mm范围内，同时实际生产过程中存在中间包底部变形等影响，导致下水口二次渣线不明显，造成几乎接近一道渣线使用，这使得配套浸入式水口的渣线部位（钢水与保护渣交接处）使用条件越来越苛刻。同时传统的ZrO2-C材料已经不能满足连铸过程的使用要求，一般的下水口生产厂家通常采取提高氧化锆的含量来提高渣线材料的抗侵蚀性，但氧化锆的提高，热震性能大幅下降，下水口开裂隐患大大增加，往往下水口刚上线就发生开裂，浇注无法正常进行，达不到连铸生产的长寿命使用要求。若生产厂家在下水口内壁设防开裂层，这样会导致下水口有效壁厚变薄，寿命降低。

1研究内容

1.1与现有技术相比，本研究具有以下有益效果

（1）在配料中添加氧化锆纤维材料，氧化锆纤维在ZrO2-C材料中能有效形成网状结构，对材料的裂纹起到阻止作用，其稳定性优于传统的ZrO2-C材料，即使提高氧化锆含量，开裂问题得以缓解，除保证材料成品热震性能外，其自身在ZrO2-C中是无污染、高耐侵蚀氧化锆材料，具有非常优异的耐侵蚀性能，与传统ZrO2-C材料比热震性能提高，抗侵蚀效果明显。

（2）浸入式下水口寿命提升，有效解决了连铸生产过程中更换浸入式下水口次数，提高了铸坯收得率。

（3）浸入式下水口寿命提升，减少了岗位员工更换浸入式下水口的劳动强度及更换过程中生产断流事故的发生几率。

（4）浸入式下水口寿命提升，耐材侵蚀进一步降低，进入钢水内夹杂物减少，提高了钢水质量。

1.2材料配比要求

1.2.1超高拉速长寿命浸入式下水口耐侵蚀材料配方1

（1）按重量份计算包括以下成分：氧化锆颗粒40份，氧化锆细粉30份，氧化锆微粉5份，金属粉末添加剂3份，结合剂5份，氧化锆纤维2份。其中，氧化锆颗粒为电熔氧化锆、电熔稳定氧化锆或钙钇复合稳定氧化锆中的一种或多种。氧化锆颗粒的粒度级配为：0.6 mm10份、0.4 mm35份，且氧化锆颗粒中ZrO2≥94.0 wt％。其中按重量份计算，氧化锆细粉的粒度级配为：0.074 mm10份、0.044 mm20份、氧化锆微粉5份，且氧化锆微粉中ZrO2≥98.5 wt％，氧化锆微粉的粒度为<3 μm。结合剂为酚醛树脂，结合剂的粒度为<150目，金属粉末添加剂为铝、硅混合物，且金属粉末中Al+Si含量大于98%。氧化锆纤维为经1 400 ℃高温处理2 h后形成的纤维，氧化锆纤维耐压强度≥80 MPa，抗折强度为15 MPa，氧化锆纤维中ZrO2>90 wt%。

（2）超高拉速长寿命浸入式下水口耐侵蚀材料1的制备方法：按比例称取氧化锆颗粒40份、氧化锆细粉30份、氧化锆微粉5份、金属粉末添加剂3份、结合剂5份和氧化锆纤维2份，将上述各原料混合后造粒，再将造粒后的材料复合在水口渣线部位外壁，经等静压压制成生坯，经过800～1 000 ℃烧制得成品。

1.2.2超高拉速长寿命浸入式下水口耐侵蚀材料配方2

（1）按重量份计算包括以下成分：氧化锆颗粒50份，氧化锆细粉37份，氧化锆微粉10份，金属粉末添加剂6份，结合剂7份，氧化锆纤维 3份。其中，氧化锆颗粒为电熔氧化锆、电熔稳定氧化锆或钙钇复合稳定氧化锆中的一种或多种。氧化锆颗粒的粒度级配为：0.5 mm17份、0.25 mm45份，且氧化锆颗粒中ZrO2≥94.0 wt％。其中按重量份计算，氧化锆细粉的粒度级配为：0.059 mm17份、0.032 mm27份、氧化锆微粉10份，且氧化锆微粉中ZrO2≥98.5 wt％，氧化锆微粉的粒度为<3 μm。结合剂为酚醛树脂，结合剂的粒度为<150目，所述金属粉末添加剂为铝、硅混合物，且金属粉末中Al+Si含量大于98%。氧化锆纤维为经1 600 ℃高温处理3 h后形成的纤维，氧化锆纤维耐压强度≥80 MPa，抗折强度为18 MPa，氧化锆纤维中ZrO2>90 wt%。

（2）超高拉速长寿命浸入式下水口耐侵蚀材料2的制备方法：按比例称取氧化锆颗粒50份、氧化锆细粉37份、氧化锆微粉10份、金属粉末添加剂6份、结合剂7份和氧化锆纤维3份，将上述各原料混合后造粒，再将造粒后的该材料复合在水口渣线部位外壁，经等静压压制成生坯，经过800～1 000 ℃烧制得成品。

1.2.3超高拉速长寿命浸入式下水口耐侵蚀材料配方3

（1）按重量份计算，包括以下成分：氧化锆颗粒60份，氧化锆细粉45份，氧化锆微粉15份，金属粉末添加剂8份，结合剂10份，氧化锆纤维4份。其中，氧化锆颗粒为电熔氧化锆、电熔稳定氧化锆或钙钇复合稳定氧化锆中的一种或多种。氧化锆颗粒的粒度级配为：0.4 mm25份、0.0125 mm55份，且氧化锆颗粒中ZrO2≥94.0 wt％。其中按重量份计算，氧化锆细粉的粒度级配为：0.044 mm25份、0.020 mm35份、氧化锆微粉15份，且氧化锆微粉中ZrO2≥98.5 wt％，氧化锆微粉的粒度为<3 μm。结合剂为酚醛树脂，结合剂的粒度为<150目，所述金属粉末添加剂为铝、硅混合物，且金属粉末中Al+Si含量大于98%。氧化锆纤维为经1 400 ℃高温处理4 h后形成的纤维，氧化锆纤维耐压强度≥80 MPa，抗折强度为达20 MPa，氧化锆纤维中ZrO2>90 wt%。

（2）超高拉速长寿命浸入式下水口耐侵蚀材料3的制备方法：按比例称取氧化锆颗粒60份、氧化锆细粉45份、氧化锆微粉15份、金属粉末添加剂8份、结合剂10份和氧化锆纤维4份，将上述各原料混合后造粒，再将造粒后的该材料复合在水口渣线部位外壁，经等静压压制成生坯，经过800～1 000 ℃烧制得成品。

2应用及效果

配方1-3所制备得到的超高拉速长寿命浸入式下水口耐侵蚀材料与传统的ZrO2-C材料相比较，耐侵蚀材料性能测试结果见表1。

从表1结果可知，在配料中添加氧化锆纤维材料，氧化锆纤维能在ZrO2-C材料中能有效形成网状结构，对材料的裂纹起到阻止作用，其稳定性优于传统的ZrO2-C材料，同时除保证材料成品热震性能外，其自身在ZrO2-C中是无污染、高耐侵蚀的氧化锆材料，具有非常优异的耐侵蚀性能，与传统ZrO2-C材料比热震性能提高，抗侵蚀效果明显。

3结论

（1）通过添加氧化锆纤维材料，能有效提高浸入式下水口的耐侵蚀能力及抗热震性，降低外径侵蚀率，从而提高浸入式下水口使用寿命，最长可达到≥14 h。

（2）相比传统的ZrO2-C材料，添加氧化锆纤维材料，能有效形成网状结构，对材料的裂纹起到阻止作用，能杜绝浇注过程浸入式下水口开裂、刺穿问题。

（3）氧化锆纤维材料加入比重的增加，其中耐压、抗压强度、使用时间均得到提高，显气孔率、侵蚀速度明显下降。

参考文献

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