目前世界上將近80%的鋼坯采用連鑄技術(shù)生產(chǎn)，長水口、塞棒和浸入式水口是實(shí)現(xiàn)高可靠性連鑄的關(guān)鍵耐火材料，其性能好壞直接影響連鑄效率和鋼坯質(zhì)量。隨著現(xiàn)代高速高效連鑄技術(shù)及潔凈鋼冶煉技術(shù)的發(fā)展，必須進(jìn)一步提高現(xiàn)有連鑄用功能耐火材料的性能，開發(fā)新型材質(zhì)，連鑄用功能耐火材料正向著高性能、多功能、長壽命的方向發(fā)展。本文闡述了連鑄用功能耐火材料的某些關(guān)鍵性能和提高使用壽命的措施及最近的發(fā)展趨勢。
浸入式水口
浸入式水口的性能和使用行為直接影響連鑄效率和鑄坯質(zhì)量。在使用過程中要求浸入式水口耐鋼液和結(jié)晶器保護(hù)渣侵蝕，不與鋼水中物質(zhì)反應(yīng)生成堵塞物。最初的浸入式水口采用熔融石英材料，但其抗侵蝕性差，不能滿足多爐連鑄和潔凈鋼生產(chǎn)的需要。目前主要采用本體為Al2O3-C質(zhì)、渣線復(fù)合ZrO2-C質(zhì)的復(fù)合式浸入式水口。在滿足抗熱震性的前提下，渣線材質(zhì)抗結(jié)晶器保護(hù)渣的侵蝕性能和水口內(nèi)部抵抗Al2O3結(jié)瘤的性能是決定浸入式水口使用壽命的關(guān)鍵因素。
1.氧化鋁堵塞及其防止措施
在澆鑄一些特殊鋼及Al或Al-Si鎮(zhèn)靜鋼時所用Al2O3-C質(zhì)或Al2O3-ZrO2-C質(zhì)浸入式水口往往產(chǎn)生Al2O3結(jié)瘤現(xiàn)象，造成鋼液流態(tài)不穩(wěn)定，甚至水口堵死，破壞了正常鑄流并影響鋼坯質(zhì)量，現(xiàn)已成為限制Al2O3-C質(zhì)或Al2O3-ZrO2-C質(zhì)浸入式水口實(shí)現(xiàn)多爐連鑄、提高連鑄效率的主要障礙。造成氧化鋁在水口內(nèi)壁結(jié)瘤的可能原因有:
一是鋼液脫氧生成Al2O3；
二是耐火材料中所含SiO2和碳促使Al2O3的形成，其反應(yīng)如下:
SiO2(s)+C(s)=SiO(g)+CO(g)
3SiO(g)+2Al(l)=Al2O3(s)+3Si(l)
3CO(g)+2Al(l)=Al2O3(s)+3C(s)
三是Al2O3微粒在氧化鋁和鋼液表面張力等作用下在浸入式水口內(nèi)壁接觸、附著長大。為減少Al2O3結(jié)瘤，從機(jī)理上講可采用以下措施：使脫氧生成物Al2O3低熔點(diǎn)化，例如用Ca處理鋼水，使Al2O3轉(zhuǎn)變?yōu)锳l2O3-CaO系低熔點(diǎn)物質(zhì)；采用脫氣處理技術(shù)凈化鋼液；控制鋼液溫度下降；改變水口內(nèi)襯材質(zhì)使其中的某一成分在高溫下與Al2O3作用，在鋼液和耐火材料界面生成低熔點(diǎn)相，被鋼液帶走并進(jìn)入渣中，以消除Al2O3沉積。如水口內(nèi)壁復(fù)合含CaO的物質(zhì)；采用無硅無碳水口內(nèi)襯材質(zhì)，從根本上減少Al2O3的形成。
目前，對防Al2O3堵塞浸入式水口的研究主要集中在水口內(nèi)襯材質(zhì)上。已研究開發(fā)的材質(zhì)有:Sialon-ZrO2、CaO-MgO-Al2O3、ZrO2-ZrB2-C、BN-AlN-C、ZrO2-CaO-C等，最近還開發(fā)了無硅無碳型內(nèi)襯材料。根據(jù)氧化鋁與耐火材料中的某一成分反應(yīng)形成低熔點(diǎn)物質(zhì)的原理，研制開發(fā)的ZrO2-CaO-C材料已在實(shí)際中得到成功應(yīng)用。然而針對具體鋼種和澆鑄條件，很難確定達(dá)到最佳防Al2O3堵塞效果的內(nèi)襯材料中CaO含量，而且隨著澆鑄進(jìn)行，石墨氧化往往造成內(nèi)壁工作面粗糙不平，從而難以獲得較好的防氧化鋁堵塞效果。
日本最近開發(fā)并試用了無硅無碳的浸入式水口內(nèi)襯材料，通過內(nèi)壁復(fù)合尖晶石材料，實(shí)機(jī)澆鑄試驗(yàn)證明Al2O3結(jié)瘤明顯降低了，澆鑄后內(nèi)壁工作表面平滑，材料具有良好的抗熱震性。由于該種材料從根本上減少了氧化鋁的來源，因此是一種非常有前景的防氧化鋁堵塞內(nèi)襯材料。此種內(nèi)襯材料也更適用于潔凈鋼及超低碳鋼等鋼種的冶煉。目前，我國已成功開發(fā)了ZrO2-CaO-C材料，并在武漢鋼鐵集團(tuán)、天津大無縫等廠家成功應(yīng)用。而無硅無碳內(nèi)襯材質(zhì)的研究則剛剛起步，為滿足我國高潔凈鋼冶煉的需要，無硅無碳浸入式水口內(nèi)襯材質(zhì)的開發(fā)具有特別重要的意義。
2.渣線材質(zhì)的抗侵蝕性能
浸入式水口渣線部位的抗侵蝕性能是影響其壽命的另一個重要因素。目前在渣線處普遍采用ZrO2-C材料，與以往的Al2O3-C材料相比，抗侵蝕性得到了明顯的提高。一般來說，碳含量為15%的ZrO2-C材料具有較好的綜合性能。
ZrO2-C材料的侵蝕機(jī)理包括:由熔鋼引起碳素的氧化、溶解；ZrO2的穩(wěn)定劑CaO與渣中的侵蝕性成分如SiO2、Na2O等反應(yīng)脫溶，致使部分穩(wěn)定的氧化鋯迸裂轉(zhuǎn)化為細(xì)小的單斜氧化鋯。前者導(dǎo)致ZrO2-C材料組織結(jié)構(gòu)脆化，后者引起m-ZrO2及玻璃相的產(chǎn)生，并使ZrO2-C材料伴隨潔凈器的振蕩運(yùn)動被沖刷掉進(jìn)入熔渣。在澆鑄某些特種鋼或在某些特定的澆鑄工藝下ZrO2-C材質(zhì)的抗侵蝕能力面臨更為嚴(yán)峻的考驗(yàn)，如澆鑄高氧鋼、限制中間包提包的澆鑄及薄板坯連鑄時，無法實(shí)現(xiàn)高效多爐連鑄。
為了進(jìn)一步提高渣線材質(zhì)的抗侵蝕性，可從水口結(jié)構(gòu)及材料組成兩方面考慮。根據(jù)ZrO2-C材料的侵蝕機(jī)理，降低ZrO2-C材質(zhì)中碳含量可能提高其抗侵蝕性，然而碳含量的減少必將犧牲抗熱震性能。為此，DiDier研制開發(fā)了渣線部位由3層結(jié)構(gòu)組成的浸入式水口。
薄板坯連鑄用浸入式水口
浸入式水口是實(shí)現(xiàn)薄板坯連鑄工藝的三大關(guān)鍵材料之一。由于薄板坯連鑄的鑄坯很薄，厚度僅為50～70mm，從而要求結(jié)晶器兩側(cè)壁之間的距離要短。相應(yīng)地，浸入式水口的外形尺寸嚴(yán)格受制于結(jié)晶器的形狀和大小。為保證與普通板坯連鑄相同的生產(chǎn)率，水口內(nèi)腔應(yīng)盡可能大。這些因素導(dǎo)致水口必須設(shè)計(jì)成為薄壁，壁厚一般為10～17.5mm。然而，決定水口使用壽命關(guān)鍵因素的渣線部位的耐侵蝕行為與水口壁的厚度成正比，即在使用相同組分保護(hù)渣的情況下，薄板坯連鑄用水口的使用壽命要短于普通連鑄用浸入式水口。另外，由于薄板坯連鑄工藝中結(jié)晶器振動頻率高，鋼液在水口內(nèi)流速快，保護(hù)渣粘度小而更具蝕損性等，浸入式水口將面臨更嚴(yán)峻的考驗(yàn)。
因此，為了提高薄板坯連鑄用浸入式水口的使用壽命，水口材質(zhì)在性能上必須具備優(yōu)良的抗熱震性能、高抗侵蝕性、高的熱態(tài)強(qiáng)度和優(yōu)良的抗氧化性。此外，由于薄板坯連鑄用浸入式水口的外形尺寸受結(jié)晶器形狀的限制，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在設(shè)計(jì)及制備時應(yīng)避免產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力。
由于浸入式水口壁薄(15mm)，使用壽命一般為3爐，從而嚴(yán)重地制約了連鑄過程和連鑄效率的提高。因此，有待于開發(fā)新的性能優(yōu)良的浸入式水口材質(zhì)。隨著我國鋼鐵工業(yè)向高效連鑄方向發(fā)展，薄板坯連鑄近兩年在我國得到快速發(fā)展，但是所用浸入式水口全部依賴進(jìn)口。因此，研究薄板坯連鑄用浸入式水口無論在我國還是在世界上均是連鑄耐火材料的一個重要課題。
長水口
長水口材質(zhì)的設(shè)計(jì)主要依據(jù)澆鑄鋼種、澆鑄時間及中間包覆蓋劑的種類。目前主要采用Al2O3-C材質(zhì)，該材質(zhì)對鋼種的適應(yīng)性強(qiáng)，特別適合澆鑄特殊鋼，對鋼水污染小。
為了滿足高效連鑄的需要，可根據(jù)長水口各部位不同的使用條件進(jìn)行最佳組成設(shè)計(jì)，以獲得最長的使用壽命。腕部磨損且并容易吸入空氣，通常采用低SiO2或不含SiO2的Al2O3-C材料或適當(dāng)降低石墨的含量。由于受中間包覆蓋劑及鋼水侵蝕，渣線部位往往成為影響長水口壽命的主要因素，為了提高渣線部位的抗侵蝕性，根據(jù)澆鑄鋼種和中間包覆蓋劑的不同，可采用ZrO2-C或MgO-C材質(zhì)。
目前，長水口主要有兩個發(fā)展方向。一是不含SiO2長水口的研制。傳統(tǒng)的Al2O3-C質(zhì)長水口通常含有一定數(shù)量的熔融石英以提高抗熱震性。然而，由于SiO2與MnO或FeO反應(yīng)生成低熔點(diǎn)物質(zhì)，從而降低了材料的抗侵蝕和抗沖刷性能。因此，在澆鑄高錳鋼或高氧鋼時，研制開發(fā)了不含SiO2的Al2O3-C材料。相對于傳統(tǒng)的Al2O3-C材料，該材料熱膨脹系數(shù)相對較大，必須精確控制預(yù)熱條件。
