目前世界上將近80%的鋼坯采用連鑄技術生產，長水口、塞棒和浸入式水口是實現高可靠性連鑄的關鍵耐火材料，其性能好壞直接影響連鑄效率和鋼坯質量。隨著現代高速高效連鑄技術及潔凈鋼冶煉技術的發展，必須進一步提高現有連鑄用功能耐火材料的性能，開發新型材質，連鑄用功能耐火材料正向著高性能、多功能、長壽命的方向發展。本文闡述了連鑄用功能耐火材料的某些關鍵性能和提高使用壽命的措施及最近的發展趨勢。
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量。在使用過程中要求浸入式水口耐鋼液和結晶器保護渣侵蝕，不與鋼水中物質反應生成堵塞物。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的需要。目前主要采用本體為Al2O3-C質、渣線復合ZrO2-C質的復合式浸入式水口。在滿足抗熱震性的前提下，渣線材質抗結晶器保護渣的侵蝕性能和水口內部抵抗Al2O3結瘤的性能是決定浸入式水口使用壽命的關鍵因素。
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鎮靜鋼時所用Al2O3-C質或Al2O3-ZrO2-C質浸入式水口往往產生Al2O3結瘤現象，造成鋼液流態不穩定，甚至水口堵死，破壞了正常鑄流并影響鋼坯質量，現已成為限制Al2O3-C質或Al2O3-ZrO2-C質浸入式水口實現多爐連鑄、提高連鑄效率的主要障礙。造成氧化鋁在水口內壁結瘤的可能原因有:
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壁接觸、附著長大。為減少Al2O3結瘤，從機理上講可采用以下措施：使脫氧生成物Al2O3低熔點化，例如用Ca處理鋼水，使Al2O3轉變為Al2O3-CaO系低熔點物質；采用脫氣處理技術凈化鋼液；控制鋼液溫度下降；改變水口內襯材質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相，被鋼液帶走并進入渣中，以消除Al2O3沉積。如水口內壁復合含CaO的物質；采用無硅無碳水口內襯材質，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襯材質上。已研究開發的材質有:Sialon-ZrO2、CaO-MgO-Al2O3、ZrO2-ZrB2-C、BN-AlN-C、ZrO2-CaO-C等，最近還開發了無硅無碳型內襯材料。根據氧化鋁與耐火材料中的某一成分反應形成低熔點物質的原理，研制開發的ZrO2-CaO-C材料已在實際中得到成功應用。然而針對具體鋼種和澆鑄條件，很難確定達到最佳防Al2O3堵塞效果的內襯材料中CaO含量，而且隨著澆鑄進行，石墨氧化往往造成內壁工作面粗糙不平，從而難以獲得較好的防氧化鋁堵塞效果。
日本最近開發并試用了無硅無碳的浸入式水口內襯材料，通過內壁復合尖晶石材料，實機澆鑄試驗證明Al2O3結瘤明顯降低了，澆鑄后內壁工作表面平滑，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襯材料。此種內襯材料也更適用于潔凈鋼及超低碳鋼等鋼種的冶煉。目前，我國已成功開發了ZrO2-CaO-C材料，并在武漢鋼鐵集團、天津大無縫等廠家成功應用。而無硅無碳內襯材質的研究則剛剛起步，為滿足我國高潔凈鋼冶煉的需要，無硅無碳浸入式水口內襯材質的開發具有特別重要的意義。
2.渣線材質的抗侵蝕性能
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材料的侵蝕機理包括:由熔鋼引起碳素的氧化、溶解；ZrO2的穩定劑CaO與渣中的侵蝕性成分如SiO2、Na2O等反應脫溶，致使部分穩定的氧化鋯迸裂轉化為細小的單斜氧化鋯。前者導致ZrO2-C材料組織結構脆化，后者引起m-ZrO2及玻璃相的產生，并使ZrO2-C材料伴隨潔凈器的振蕩運動被沖刷掉進入熔渣。在澆鑄某些特種鋼或在某些特定的澆鑄工藝下ZrO2-C材質的抗侵蝕能力面臨更為嚴峻的考驗，如澆鑄高氧鋼、限制中間包提包的澆鑄及薄板坯連鑄時，無法實現高效多爐連鑄。
為了進一步提高渣線材質的抗侵蝕性，可從水口結構及材料組成兩方面考慮。根據ZrO2-C材料的侵蝕機理，降低ZrO2-C材質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研制開發了渣線部位由3層結構組成的浸入式水口。
薄板坯連鑄用浸入式水口
浸入式水口是實現薄板坯連鑄工藝的三大關鍵材料之一。由于薄板坯連鑄的鑄坯很薄，厚度僅為50～70mm，從而要求結晶器兩側壁之間的距離要短。相應地，浸入式水口的外形尺寸嚴格受制于結晶器的形狀和大小。為保證與普通板坯連鑄相同的生產率，水口內腔應盡可能大。這些因素導致水口必須設計成為薄壁，壁厚一般為10～17.5mm。然而，決定水口使用壽命關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晶器振動頻率高，鋼液在水口內流速快，保護渣粘度小而更具蝕損性等，浸入式水口將面臨更嚴峻的考驗。
因此，為了提高薄板坯連鑄用浸入式水口的使用壽命，水口材質在性能上必須具備優良的抗熱震性能、高抗侵蝕性、高的熱態強度和優良的抗氧化性。此外，由于薄板坯連鑄用浸入式水口的外形尺寸受結晶器形狀的限制，結構較為復雜，在設計及制備時應避免產生結構應力。
由于浸入式水口壁薄(15mm)，使用壽命一般為3爐，從而嚴重地制約了連鑄過程和連鑄效率的提高。因此，有待于開發新的性能優良的浸入式水口材質。隨著我國鋼鐵工業向高效連鑄方向發展，薄板坯連鑄近兩年在我國得到快速發展，但是所用浸入式水口全部依賴進口。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
長水口材質的設計主要依據澆鑄鋼種、澆鑄時間及中間包覆蓋劑的種類。目前主要采用Al2O3-C材質，該材質對鋼種的適應性強，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，可根據長水口各部位不同的使用條件進行最佳組成設計，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，根據澆鑄鋼種和中間包覆蓋劑的不同，可采用ZrO2-C或MgO-C材質。
目前，長水口主要有兩個發展方向。一是不含SiO2長水口的研制。傳統的Al2O3-C質長水口通常含有一定數量的熔融石英以提高抗熱震性。然而，由于SiO2與MnO或FeO反應生成低熔點物質，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，研制開發了不含SiO2的Al2O3-C材料。相對于傳統的Al2O3-C材料，該材料熱膨脹系數相對較大，必須精確控制預熱條件。
標簽： 耐火材料
