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目前世界上將近80%的鋼坯采用連鑄技術(shù)生產(chǎn)，長(zhǎng)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著連鑄效率和鋼坯質(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(zhǎng)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(shì)。
1、浸入式水口
浸入式水口的性能和使用行為直接影響著連鑄效率和鑄坯質(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。
1.1 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(shí)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:
1)鋼液脫氧生成Al2O3;
2)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)
3)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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的含量，而且隨著澆鑄的進(jìn)行，石墨的氧化往往造成內(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(guó)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(guó)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。
1.2 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(gè)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:
1)由熔鋼引起碳素的氧化、溶解;
2)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(dòng)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(shí)，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)了渣線部位由三層結(jié)構(gòu)組成的浸入式水口。