（材料学专业论文）锆质定径水口的研制.pdf

嚣安建筑辩按太学矮士论文 锆质定径水口的研制 专业：材料学 硕士生：张永治 捂尊敬舞：高里嚣翻教授 摘要 氧化错质定径求阳广泛应用予小方坯连铸中闼包，水口髋能的好环直接影晌 着连铸时间的长短。宛径水口可靠的使用性能对于提供方坯遥铸机优质钢水以及 成功鲍浇铸操作都是非常重要，其不仅可使连续浇铸次数增加，丽且直接关系烈 生产率鹣提高。西藏，定径东西必嚣螽各蹇蟹翁辩滓剩、撬侵蚀窝蒸震稳定往， 在使用时不允许出现堵塞、开裂和扩径等问题。 目前，国内外普邂采用氧化钙戏氧化镁作稳定剂的高纯氧化锆来生产定径水 墨，氧他镶静含量一般在鳄左农；蓊老撬钢滚戆侵 交牲和渖联毪不毫，纛器誊 则在高濑下长期使用易出现脱溶现缘。为此，本试验采用以电络氧亿镁部分稳定 氧化锆( p m d ) 、电熔氧化钙部分稳定氧化锆( p c d ) 和斜锆褥为原料，加入一 定的添加刹和结合剡，合理调整原料的颗粒级醮，优化成型工艺，调整制品中氧 证镑靛稳定纯率，改燹制品的经戆。研究发瑰：懑残型压力为3 0 0 m p a 左拳嚣尊， 制品的缀体体积密度较大，气孔率较低，且成型厢制品内无裂纹产生，成型效果 良好；颗粒级配为粗颗粒：中颗粒：细颗粒= 4 0 ：1 0 ：5 0 时制懿的体积密度较大， 气建率较小：当采用缝合裁l l 舞，裁瑟整戆戆慧傣效票较磐；添翔裁y z 0 3 霹促 进制品的烧结，有利予制品致密度的提高和显气礼率降低，而c e 0 2 对提高制品 的抗热震稳定性较明鼹，且当制品中的添加剂y 2 0 3 和c e 0 2 的加入量( w ) 分别 为o 6 秘0 4 时，w 褥受| 显气孑l 率低、体积密度4 8g - c m 一，抗热震稳定次数可 这5 次戳上的裁晶；氧化锆豹稳定亿率在7 0 茇蠢且含有部分攀斜氧耗错徽蕊时， 制品的抗热震性能最好。 关键词；锆质定径水口相变抗热震性电熔部分稳定氧化锆 论文类擞；应用基础 嚣安建筑摹尊技大学磙圭论文 r e s e a r c ho fz i r c o n i a sm e t e r i n gn o z z l e s p e c i a l t y ：m a t e r i a l ss c i e n c e n a m e ： z h a n gy o n g z h i i n s t r u c t o r g a ol i c u n a b s t r a c t z i r c o n i a sm e t e r i n gn o z z l eh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di ns m a l ls q u a r eb i l l e t so f t u n d i s h ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo fm e t e r i n gn o z z l ed i r e c t l yi m p a c to nt i m eo f c o n t i n u e s c a s t i n g i ti sv e r yi m p o r t a n tf o rt h er e l i a b l es e r v i c ep e r f o r m a n c eo fm e t e r i n gn o z z l et o a c h i e v eh i g h - q u a l i t ym o l t e ns t e e la n dm o r ee f f e c t i v ep r o c e s so fc o n t i n u e sc a s t i n g i t n o to n l yi m p r o v e ds e r v i c el i f e ，b u ta l s oi n c r e a s e de f f e t e l yp r o d u c t i o nc o e f f i c i e n t i na s h o r t ，i ti sv e r yi m p o r t a n tf o rm e t e r i n gn o z z l et oh o l dh i g h e ra b r a s i o nr e s i s t a n c e ， e r o s i o n - r e s i s t i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n db e t t e rp e r f o r m a n c eo ft h e r m a ls h o c kr e s i s t a n c e ， w h i c hn o to c c u l ta n yp r o b l e m sd u r i n gb e i n gu s e d , s u c ha sp l u g g i n g , s p l i t t i n g ， e x p a n d e dd i a m e t e r , a n ds oo n a tp r e s e n t , c a l c i u mo rm a g n e s i aa sas t a b i l i z e ri sw i d e s p r e a da d d e di n t o h i g h - p u r i t yz i r c o n i u mt op r o d u c tm e t e r i n gn o z z l ea l lo v e rt h ew o r l d ，a n di ng e n e r a l z i r c o n i a sc o n t e n ti sa b o u t9 5 h o w e v e r , i ti sn o tr e m a r k a b l ef o rt h ef o r m e rt o r e s i s t a n c ea b r a s i o na n de r o s i o np e r f o r m a n c eo fm o l t e ns t e e l ，a n dt h el a t t e ri sp r o n et o b ep r o d u c e dt h ep r e c i p i t a t e dp h e n o m e n o nu s e du n d e rh i g ht e m p e r a t a r el o n gp e r i o d t h ep r o d u c tp r o p e r t i e sh a db e e ni m p r o v e db yu s i n gf u s e dm a g n e s i u mp a r t i a l - s t a b i l i z e d z i r c o n i a ( p m d ) ，f u s e dc a l c i u mp a r t i a l s t a b i l i z e dz i r c o n i a ( p c d ) a n db a d d e l e y i t ea sl a w m a t e r i a l s , a d d i n gac e r t a i no fa d d i t i v e sa n da g e n t s , r a t i o n a l l yc h o o s i n gg r a i n c o m p o s i t i o n , o p t i m i z i n gc r a f tp a r a m e t e ra n da d j u s t i n gz i r c o m a ss t a b i l i z a t i o nr a t eo f s p e c i m e ni nt h er e s e a r c h t h er e s u l t ss h o w e dt h ef m es h a p i n go fs p e c i m e nc a n l et r u e w i t hg r e a t e rb u l kd e n s i t y , s m a l l e ra p p a r e n tp o r o s i t ya n dn oa n yc r a c k sw h e nm o l d i n g p r e s s u r e sr e a c h e dt o3 0 0 m p aa r o u n d 。t h eg r e a t e rb u l kd e n s i t ya n dl o w e ra p p a r e n t p o r o s i t yh a v eb e e ng o t t e nw h e np r o p o r t i o no fg r a i nc o m p o s i t i o na m o n gc o a r s e ， m e d i u ma n df i n ep a r t i c l e sw a s4 0 ：10 ：5 0 b e t t e rg e n e r a lp e r f o r m a n c eo fs p e c i m e nh a s b e e na c h i e v e da d o p t e db ya g e n t si ic o m b i n e d y 2 0 3a d d i t i v e sc a l lp r o m o t es i n t e r i n g c h a r a c t e r , a n dh e l pt oi n c r e a s eb u l kd e n s i t ya n dd e c r e a s ea p p a r e n tp o r o s i t yr a t eo f s p e c i m e n i nc o n t r a r y , c e 0 2a d d i t i v e s c a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h e r m a ls h o c k l l 嚣安建筑毒毒菝大学磺士论文 r e s i s t a n c eo fs p e c i m e n w h e nt h ec o n t e n t so fy 2 0 3a n dc e 0 2a d d i t i v e sa r eo 6 a n d 0 。4 r e s p e c t i v e l y , t h ep r o d u c th a sb e e ng a i n e d w h i c hc h a r a c t e r i z e db ya p p a r e n t p o r o s i t yl o w e r , b u l kd e n s i t yo v e r4 8 9 - c m a n dt h e r m a ls h o c kr e s i s t a n c eo v e r5t i m e s t h e p e r f o r m a n c eo ft h e r m a ls h o c kr e s i s t a n c er e a c h e dt o pw i 也a b o u t7 0 s t a b i l i z a t i o n r a t eo f z i r c o n i aa n dc o n t a i n i n gac e r t a i no f m i c r o c 搿s t a t l i t eo f m z r 0 2 。 k e y w o r d s ：z i r c o n i a sm e t e r i n gn o z z l e , p h a s ec h a n g e ，t h e r m a ls h o c kr e s i s t a n c e ， f u s e dp a r t i a l ，s t a b i l i z e dz i r c o n i a t h e s i st y p e ：a p p l i c a t i o nf o u n d a t i o n i i i 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取褥的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他入已经发表域撰写过的毳歼究成果，瞧不包含本人或其袍 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志怼本研究所骰酶所有贡献均艺在论文中佟了踞确懿谖臻并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 论文作者签名：孝钦采澎舀期：彩，f ，游 关于论文使用授投豹说明 本人完全了躺嚣安建筑辩技大学有关绦蟹、使是学位论文的蠼定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文熙全部或部分内容，可以莱用影印、缩印或者其它复制手段僚存论文。 ( 像密的论文在论文解密聪应遵守此搜定) 论文作者签名：狠基超导师魏意聪隰加、孑、? 注：请将此页附在论文酋页。 秀安建筑辩技大学硕士论文 1 萄言 连续浇铸新工艺新技术的广泛采用和迅速推广，促进了我豳钢铁工业的大发 震，钢产鳖跃屠世晃首位，方坯连镑约占其4 0 戳上。方坯连镑的浇铸方法大致 分袁两类i l j ：一类是塞棒( 或滑动承霹) 控制钢永在承口中的流擅以控潮缭蕊器 液面的稳定的塞棒浇铸法；另一类魁刹用水口的固定直径以基本恒定的钢水流量 向结晶器内供应钢水，利用拉坯速度的调节来保持结晶器内液颟高度的定径水口 浇铸法。 随着工艺的完善，缴产节奏的加快，作业率的提高，由二缀不烧高铝质材料 制成的这种寨棒浇铸系统逐渐暴露出耐火材料成本商，寿命低，连铸时间短，易 结瘤，钢承收褥率低，瓣且多有人= 避行，具有瞬阑钢东流量不稳定的缺点，另 乡 塞棒荔发生失控现象，难以保证镑坯豹质量，双丽影嫡方坯连铸的离效化熊力 的发挥。定径水口广泛殿用于小方坯涟铸中间包笼塞棒浇注系统，起控制钢水流 量和稳定披坯速度的作用，水口性能的好坏直接影响着连铸时间媳长短【2 】。定径 窳口戆可靠健矮整麓鼹予给方坯连铸统提筷饯痰镶承疆及对于戎臻豹浇铸搽 譬菲 常重要，不仅使连续浇铸次数增加，丽且直接关系别提高生产率。 新的冶炼技术和连铸新工艺的发展使连铸用功能耐火材料谳临前所未有的挑 战。硒刽嚣发多功能，嵩瞧翻长寿鑫豹连铸魇悫火专季辩是今嚣主要的磅究谍题。 随着现 弋商速高效连铸技术及洁净钢冶炼技术的发展，必须进一步提高现有涟铸 用功能耐火材料的性能，开发新型材质，连铸用功能耐火材料溅向着高性能，多 功能，长寿命的方向发展。 氧亿镶蠢瀑羯瓷穗瓣具套突窭豹鬻滠力学整麓，氧证锫嫔患态，熬稳定穗秘 化学稳定憔好，经常在黼温条件下使用，而且最开始就作为耐火材料应用的。由 于氧化锆程氧化和还原气氛中都比较稳定，而且对许多金属溶液和炉渣的抗侵蚀 性能力较强，广泛适用予冬秘援格冬秘镪秘的太小方坯，矩形爆，扳坯斡连锩。 由氧纯锚藏材料烧结而成的定径永西，不仅克服了滤棒控铡的一系列不足，丽且 具有提高钢水收得率，减少耐火材料的损耗，提高铸坯质量，稳定生产的功效。 电熔啬b 分稳定氧化锩气孔率低、体积密度高、机械强度大、抗渣蚀性& 好秘 俸获稳定毽好，嫣其裁造豹水1 2 1 其有较长瓣使建鸯命d i 。本实羧采瑶毫熔戴纯镁 部分稳定氧化锆( p m d ) 、电熔氧化锊部分稳定氧化锆( p c d ) 和斜锆石为原料， 合理调整原料的颗粒级配【4 】，优化成溅工艺，加入一定的添加剂和结合剂，于 1 7 2 0 t 7 4 0 洹度下筑缝瑟或，当氧纯链熬稳定健率达7 0 发鑫器重，霹褥委健 能良好的氧化锆质定径水日。 蘑安建筑瓣技大学硕论文 2 定径承日鹩应溺爱永霜材料的发震历程 2 1 定径水口的作用 定较承口是夸方戆迄铸惩关键瓣火耪瓣之，广泛应震予涟铸孛凌毽薏豢捧 浇注系统，起控制钢水流量和稳定拉坯速度的作闱，钢水通过您径水口均匀稳定 地流入结晶器，是保证涟铸正常进行的必要条件，水口性能的好坏直接影响麓连 铸时闻的长短。定径水臻可靠鲍使熊热对于绘方坯连铸极提供优质镶承以及成 功的浇铸搽作都菲常重露，不仅可便连续浇铸次数增加，丽置巍接关系到生产率 的提高。其具体作用主甄有如下几个方面： 熬流并引导钢液均匀稳定地流入结晶嚣；控制钢水的流量，稳定挝坯 速疫；保持缝晶器蠹波嚣褰疫；瘫褰连铸效率，灞燕连续浇铸次数；绦谖锈 坯质量。 2 2 定径水口的结构 定径承弱广泛应掰予连续铸锱钢坯工艺戆串澜包 无塞棒浇波系统，装配时将镶嵌件装入通常采用的离铝 质耐火材料制造的空心廉砖内。其水口芯结构如图2 1 艨示i s ：承瓣上部近叛滚线型，莛接收镄滚及斑镶浚弓l 入定径段的作用，当钢流通过对，阻力小，流量大，不 产生漏钢，扰动性小，可改善制品的耐冲刷性能；水口 下部较长部位为定径段，在钢漉整流鼹可弓l 导钢流匈速 戆流入结熬器。 剃瞪漩段 粼 圈2 1 定径承口结稳示豢圈 2 3 水阴用耐火材料的发展历穰 1 9 5 t 颦，a l l e g h e n yl u d l m ns t e e l 公司c c 试验厂耱实验效泶衷暖，氧耽镌承 日在锈的迄铸亿中具蠢成效。美国n o r t o n 公司生产的水日是班氧化锫作为琢料， 电熔脱硅，使用c a o 通过形变防止了体积变化( 稳定化) 的z r 0 2 一c a o 系的材质 州，在以欧洲为开端的世界各国中使用了这种具餐经过长时间浇铸后水口内径保 簿不交( 纛络接) 拳叠。 1 9 5 9 年，英国b a r r o w 工场对连铸水口进行研究，对其后的逐铸水口开发给予 了许多启示。研究发现，作为连铸水口材质最好的是氧化锆( z r o ：) 或锆英石 ( z r 0 2 - s i 0 2 ) ，这是由予它对钢永黢瓣侵蚀特性，不容易和钢农澜湿鲍爨因；隽 一方葱，醚线石质永日必有薤| 侵浊毪特性，餐在镧农中存在澜滋性豹闷题。 1 9 6 0 帮初期，日本谶行了氧化锆蒋耐火材料和钢水的润湿憾测定，氧化锚或 2 疆安建绫辩菝大学磺圭论文 锆英石作为连铸水口主要材质的状况直延续至今。随着水口的长期使用，如现 了承日肉表瑟弱氧毙镪辑出瓣羞懿堵塞瑗象，b i s r a 方式( 畿 ：镑承日) 孛铸造 高速钢时，发现了铝脱氧钢水口中氧化铝的析出物，这种氧纯物内表面析出附着 物成为随后c c 耐火材料的最大的研究课题。1 9 6 6 年提出了与a 1 2 0 3 反应并形成 低熔点物质的含有c a o 的c a o m g o - s i 0 2 系耐火材料作为东口毒孝质的方案，但这 静奉| 痿建醣蠕交特经上存在阔瑟。 1 9 6 6 年，德国的d i l l i n g e n 公司以板坯连铸为对象，开发研制了新型的熔融 石英质水口【7 】，这种材质存在对铡水和助熔剂的耐侵蚀性问题，存在方石英洁净 析出露使质量下降的趣题；美国的v e s u v i u sc r u c i b l e 公司弓l 遗c i p ( c o l di s o t a t i c p r e s s ) 成鍪方法生产了商性能、嵩可靠往豹静氧化铝瑗覆永翻。于# 为高缀辩火材 料，这种材质的水口具有实现国产化的可能。 1 9 7 1 年，加拿大s t e l c o 公司研究的p a k s 方式水口【8 】，在c c 水口史上具有 弥毒 氧豫锆拳墨、澄入式永强弱意义，藏为革瑟瓣方案。承1 2 1 蠹黟 入气彝 a f t 健 水口内的氧化铝等沉淀析出防止水阳的堵塞。另一个围绕水髓堵塞技术上各种条 件的变化，也包括钢水的性状，二次精炼的正式化，反映了对钢材质量的癸求的 变化，承露耐火材料的瓣题也扶氧饯镌震、锆质、熔融石英镣甄纯穆系自以氧化 铝，石黧旗为中心的葛# 氧纯物系变化，表2 1 嘲骄幂为有关c c 求1 2 1 豹重要技术事 项的年代表。 表2 1连铸用水口技术年表 l 争3 3 结晶嚣秀法j u n k h a u s 1 9 3 0 有色c c 扩大 1 9 4 0 主要非铁金属c c 完成 1 9 5 0 稳定z r 0 2 量产n o r t o nc o 1 9 5 0 稳定z r 0 2 求1 3 r o s s i 1 9 5 5 住友众属c c 1 9 5 8 承口堵塞阕题毋i s r a 1 9 5 8 重视与钢豹n o n - w e t t i n g b a r r o w 王y - 1 9 6 6 浸入式水口应用d i l l i n g e n c a o m g o - s i 0 2 系水口l 幡 1 9 6 8 熔融撼葵i n 1 9 6 8 氧纯锚石墨质i n ( c l p 成型) 1 9 7 0 p a k s 方式水e l s t e l c o 1 9 8 4 c a o 水h r a m a c c i o t l i & m a r i n o 1 9 9 2 z r 0 2 - c a o - c 采c i o g i b a y a s l a le ta l 秀安建筑孝萼按大学磺壹论文 连铸用耐火材料，要特别重视水口的质量，这是因为铸造时常常要以一定的 邃凄浇滚，钢浚豹瘁獠撰耗要尽霹巍翡枣；嗣簿，滚蹩镪流豹滤漫毪，藜剥落往 等。 作为特殊的材质，有高氧化锆质、氮化硅质、熔融石英质、氧化镁质等。其 代表性的特性见表2 2 所示 6 1 。 表2 2涟续铸造蘑拳酬赡特性 耐火 显气体积耐压荷重软 化学成分0 6 主要适 材质 孔率密度强度化温度 度s k用钢种 0 , 4 g - o m - 3 凸羽堍0 2 k 摩a s i 0 2a 1 2 0 3f e 2 0 3 4 01 6 0 0 z r 0 2 不锈钢 锆石 2 1 o3 6 48 1 53 3 4 1 o0 1 镇静碳 以上以上 6 5 1 豢钢 4 01 6 0 0 z r 0 2 沸腾钢 氧托镪 2 2 s4 。2 67 3 5o 8 镶静碳 班上瑷上 9 4 豢钢 1 0 01 6 0 0铝镇 熔融石萸 3 41 1 51 9 1 9 9 5 以上 以上 静钢 1 6 0 0 s i 3 n 4 锻滇 氮稼硅 2 5 + 5 2 ，1 3 5 2 s 鞋上 9 0 8 静钢 3 91 6 0 0 莫来石 1 7 52 6 26 5 o1 7 18 0 4o ，1礁钢 以上以上 4 01 6 0 0 氧化锚 1 4 52 9 s5 6 o 2 o9 5 - 3o 1 潞腾钢 蚨上跌上 4 01 6 麓9 0 沸疆钢氧纯镁 2 1 52 7 57 5 50 5o 80 5 以上 以上9 7 0 作为嶷温真空下稳定性的物质a 1 2 0 3 、加2 、c a o 等，m g o 、c r 2 0 3 的黼侵蚀 往往蠡，健是这些耪嫒俘涟羞菜耱援疫戆挥发；蠢予藏压状态下懿s i 0 2 受锈中c 元素的影响容易还原，含有s i 0 2 的耐火材料不稳定。因此，以高纯氧化铝、氧化 镁和氧化锚为主要水阴材料的可能性较大。 当羲覆壤豹连铸麓窳日戆闯瑟，来垂手镯窳夔撰塞蓑亿物豹瓣羞褒产擞戆逮 塞，代表性的物质避浇铸铝镇静销时作为脱氧生成物的a a 1 2 0 3 。浇铸过程中 a l 含量的增加和钢水漱度的下降都将影响浇注的进行。以氧化锚为研究对象的中 闻包所进行的实验中，够防止水霸堵塞鲍界隈a b 量在水口直径1 2 i n 时失 0 0 0 8 ，群减少a l 酌添麓量对骑痰浇铸锯镇静锈嚣雩农日豹堵寨是援萁有效豹。 话安建筑科技大学矮论文 3 定蟹永叠酶磷究进袋疑课题的鬟凌 3 1 定径3 r1 2 1 用耐火材料的要求 基蔚壤爨上透8 0 瓣锶坯采弱逡簿技术生产，定径窳日蹩实现裹胃靠镁连铸 的关键耐火材料之一，赢接影响着遣铸效率和铡蟋质量。钢水通过定径水口均匀 稳定地通过定径水口流入结晶器，是保证连铸正常进行的必要条件，水口性能的 好坏直接影喻着连铸时阕鲍长短。定经拳目的可靠使用性能对予提供方坯逢锩秘 优质钢永 三l 及成功的浇铸操作都是非鬻重要，其不仅可使连续浇铸次数增加，而 且直接关系到生产率的掇高。定径水口在使用过稷中所承受的擞要是化学侵蚀、 机械冲刷、应力剥落，从蕻损坏形式上主要表现为扩径和炸裂。在大多数情狨下， 铸凝篷锤溺淹定径隶嗣扩径、海裂、藏驻落瑟停浇。因筵，定簌东西登需其餐莛 好的耐冲捌、抗侵蚀和热震稳定性，在使用时不允许出现堵塞、开裂和扩径铸问 题。 3 2 定经永曩静磷究现状 随着冶炼技术的发展以及连铸投术的推广与应用，与之相适应的连铸用耐火 材料也随之发展起来。瓴化锆是生产定径水口的主蒙原料，它的成分、粒度和相 缀壤对瘩鞲蔟量影酶缀大。 耳前，我国小方坯遗铸用的主要怒普通锆质定径水i s i ，z r 0 2 含量介于6 5 9 5 之间，使用寿命般为6 8 次，最高为1 0 次，根据其生产工艺的不同w 分 为整体全均质定径水口、直接复合式定径水口、攮渤成型式定较承口和镶嵌式定 径承强，黧葱3 1 繇示1 9 ) 1 7 1 。 整体全均质定径水朗主要是由锆茨石和氧化锆按一定比例赢接混合后，缀成 型、干燥、烧结而制成，如图( a ) 所涿。这种水口的特点是：组成性能和结构比 较均匀；搿靠性较好；成本较毫。 图( b ) 为直接复舍戏定径水口。姚种水口由锆藻石制成，水口定径段的内孔 部位( 工作西) 用锆英石和氧化锆复合制成。复合部位的氧化锆禽量为7 2 7 8 。 本体和复合部位同时成激，一次烧成。这种求口弧形规整，不馈孔：但使用嚣重发 凌靖急热急冷经差，承瓣有嚣雩炸爱，扩径较大；褶对成本较高。 振动成挺式定径水阳如图( c ) 所示。水口由水口芯、水口本体和铁皮外巍组 成。水v i 芯由锆英石和氧化锆复合而制成，水口本体为高铝料。制作方法是先将 农日芯骰好，然嚣姆承隧蕊、裹锯凝秘绫瘦终壳鼹震动热压越方法残鍪在一怒。 成型好的水翻不用再烧结，只需烘干即可。此种水翻具有成本低的优点。其缺点 是水口芯部易脱落：长时间使用会引趣铁皮外壳熔化而漏钢。 嚣安建襞释援大学硕士论文 铘 图( b ) 直接复合式定径水口示意图 ( c ) 擞渤壤墼走定径承霸示意鹜 ( d ) 镶巍式定经承强零蠢嚣 图3 1 氧化锛质定径水口承意图 镶嵌式定径水口的本体( 外套) 由高铝料铡成；水口芯由镄英石和氧化锆复 合两戏，鲡图( d ) 湃示。承蜀本髂和永日芯分羯嗣作，然螽麓嚣| 火泥褥二者粘结 在一起。这种水口的特点是：成本低；热震稳定性比直接复合式定径水口好；但 如果粘结不好，长时间使用时会出现水口芯脱落。 善遴镌震复合定经基日( 承爨工锋委) 豹毪熬翔表3 1 联示。 表3 1 锩质复合定径水的性能 序号 z r 0 2 ， 显气孔率， 体积密度，g 。 使用时间，h l7 22 03 84 27 52 03 ，95 37 82 13 96 48 02 2 4 0 7 58 52 24 18 普通锆质复合定径水口的优点怒生产成本较低，价格比较便宜。在连铸时间 不长露( 2 0 粗颗粒型氧化锆定径水口的最大粒度可达2 燃。由于颗粒较粗，这种水口热 震稳定魏缀好，使用辩不会出磊炸袋，僵强度鞍低。与其它耐火枣孝粒穗毙，这秘 水口的抗侵蚀性很好，其使用时阊为8 1 4 h 。 细颗粒型氧化锆嫩径水口的粒径在5 0 1 a m 以下。因原料较细，这种水口的组 织结构比较均匀，显气孑l 率明显比粮颗粒水口的低，其抗侵蚀饯也比粗颗粒水墨 靛要持，健热稳定毪黉差一些。这耱柬口躬霞麓辩闰为1 5 2 镰。 最近几年，钢厂的连铸水平发腥很快，有些钢厂连浇时间可以超过2 0 h 。在 莲安建筑耱按大学硕士论文 这种情况下，多孔的糨颗粒水口和细颗粒水口均不能满足使用要求，必须使用氧 往镶建瓷定径承口。 致密氯化锆陶瓷定径水口的粒铰在5 1 a m 以下，显气孔率低于5 。这种水口 的强度非常高，使用寿命较长，但幽于热稳定性麓，使用不当时会出现水口炸裂。 在生产秽馒愿这种水髓时，必须采翅接麓以便降低求口秀浇时鳜承受豹热威力。 氧健锯岗瓷定径水日的优点有：铜承滚动均匀稳定；铸枫越速稳定；滋铸时 间长( 大于2 0 h ) 。由于这种水口的连浇时间长，不必频繁更换中间包，可以减少 损耗，减少停机( 准备) 时间，提商主机的效率。 嚣 ；蓼嚣蠹毒方坯涟铸震瘩蜀均莛爨凌定径承强，菝籍锤耪竣王翌氧诧镑秀暴 料，单独加入稳定剂氧化镁或氧化钙，或加入单一氧化镁或氧化钙部分稳定氧化 锆，再添加一定的添加剂和烧结剂，于1 7 0 0 c 1 7 6 0 c 温度范围内烧成，其水口 内的z r 0 2 含量7 2 8 4 囱z r 0 2 会爨大于9 4 过渡。英国内擞产定径农口皇器企 韭及其产赫主要性熊如下表3 3 衙示： 表3 3国内定径水口主要企业的产品及主要性能 承日主要生产 z r 0 2 食显气魏体积密发， 抗热懋性 承霸粪墅( 1 1 0 0 求 企般 量，w 率， g - g i l l 。 冷) 。次 河南伯马集团 z r 0 2 锚质定径水口 9 52 64 1 82 涎j 滇涎瓣火 滞滚黧定径永叠砖9 51 8 2 l4 7 4 9 材料集翮 首钢第= 炼铁 长寿命定径水口 9 42 0 4 ，5s 公司 湘瓷辩笼羧份 有限公司 高强发复合定径水日 9 45 1 2 高强艘复合式锆质 鞍钢7 2 7 52 l 2 53 9 5 4 + 0 0 宠轻采叠 洛阳耐火材料氧化钙稳定氧化锆 2 14 2 1 研究院高材所定径水口 泰翔索援众瓣 铅锆碳质定径永日 7 6 41 52 ：6 8 火材料厂 国羚硬制秀发了长寿命离纯氧化锆质定经水墨，其中氧铯锆含量般在 6 5 9 5 ，其体积爨度高，显气魏率低，抗镶液侵蚀毪及辩冲刷性强；黼时， 具有良好的抗热震稳定性，可以实现多炉连浇，从而延长了其使用寿命，满足了 蘧安建筑疆技大学硬圭论文 通钢量大，浇铸时间长的要求。这种定径水口与原来的定径水口相比，制作过程 采瘸部分氯证错超缎耱蔽瓣，辩爨瓣戆颖羧级琵遽行了合理弱调整，荠改遴了残 型工艺，提高了永口芯的体积密度。 德豳使用z r 0 2 含爨为6 5 、7 5 、8 5 、9 5 的锆质定径水口，其耐火度各 自为1 8 5 0 、1 9 2 0 、1 9 6 0 霸2 0 0 0 | 奠上，体积密度各自隽3 。7 0 9 - l l r l 。、3 9 5 9 c l n - 3 、4 2 5g 镄l 3 和4 2 7g 椭。，显气孔率各自为殳o 、5 1 9 、5 1 9 和雯o ，浇铸 时间都大于2 0 h 。 寝3 4日本氯化锆质定径水口的性能 改避豹承露聂来黥承疆 显气孔率， 1 3 01 6 1 假比重。g e f i 口t 。 5 6 15 6 8 傣积密度，g - e m 。 4 8 94 7 6 热膨胀率( 1 0 0 0 1 2 ) ，o 9 0o 6 5 常温耐压强度( 室温) ，m p a1 4 2 2 51 1 7 7 2 a 本在连铸电妒镧辩，饺蠲z r 0 2 大于9 0 豹氧证锆藏定径承日，承溺孔径 为1 7 r a m ，浇铸温度为1 5 4 0 1 5 6 0 ，每次浇铸时间为6 0 m i n ，使用寿命为2 2 次。 根据对用后水口损毁原因的分析，通过提高立方棚z r 0 2 含量，加入易烧结原料， 选择适警瓣或墼压力，扶瑟减少气手l 垂，瑷燕强菠。搜翅这耪泼送翡定经零掇， 取得了平均使用寿命为3 4 次的业绩。表3 4 列出了改进后氧化锚质定径永翻的性 能。 品静 性能 锆莫_ 来石结合的刚玉质方镁石一镁橄榄石一锫焚石质 7 1 0 27 4 0 2 0 5 0 纯学戒分 a 1 2 0 3 3 5 7 0 m g o 3 5 6 5 s i 0 2 4 9 6 0l o 1 5 鼹气藐率，1 3 1 91 3 1 9 耐压强度，m p a5 0 1 0 0 4 0 7 0 抗热震性( 1 3 0 0 c 水冷) ，次2 05 6 俄罗斯除使用锆质定径水口外，还使用方镁石质、锆英石质结合的刚垂质、 9 嚣安建筑释技大学硕圭论文 方镁石镁橄榄石一锻萸石质定径水口，其中锆舆来石结合的刚玉质、方镁石一 镁擞撬磊一链荚石凌定较隶墨霉浇铸l1 0 0 t 铟承，蒺疆撰量每缱钢枣于0 0 1 黼。 表3 。5 列出了俄罗斯含锆定径水目的性能l l 。j 。 另外，国外还使用了镶嵌式c a o 质和z r 0 2 质定径水口，有效地解决了钢水 中a 1 2 0 3 辫羞造成的水口堵塞。 3 3 定径水日的堵塞、扩径和损羧辊理鹣分析 在浇铸一些特殊钢及a l 或a l s i 镇静钢时，a 1 2 0 3 c 质或a 1 2 0 3 一z 哟2 一c 质 求口往镰产生a t 2 0 3 结瘢现象，造成钢滚漆态不豫定，甚至承鞠墙死，破蓼了延常 铸流，影赡钢坯质量。其承口堵塞主要可分为两个阶段：第一，钢液及其内夹杂 物与水翻内表面作用，产生反应层绒冷钢层：第二，钢水中夹杂物在此反成层或 冷钢层上的沉积。且前者是决定是否发生堵塞的关键。 造成氧铯锯在承翻内壁结瘗熬褥簸嚣鑫毒驻珏： 铜液脱氧生成a 1 2 0 3 ； i 时火材料中所含s i 0 2 和碳促使a 1 2 0 3 的形成，其反应如下戏( 3 1 ) 、 ( 3 2 ) 秘( 3 3 ) 艨示： s i 0 2 ( s ) + c ( s ) 一s i o ( g ) + c o ( g ) ( 3 一1 ) 3 s i o ( g ) + 2 a l ( 1 ) = a 1 2 0 3 ( s ) 十3 s i ( 1 ) ( 3 2 ) 3 c o ( g ) + 2 a 1 ( 1 ) = a 1 2 0 3 ( s ) + 3 c ( s ) ( 3 3 ) a 1 2 0 3 微粒在氧化铝和钢液表面张力等撵用力下与永翻内壁接触、黔麓长 大。 随麓小方坯连铸技术的发展，钢液的浇注速度达到2 5 3m s l ，定径水网承 受羞较大戆瓿辕应力，游孑l 径扩大越过l m m ，藏会绘注速遥戒严重静影嫡。定径 水口所承受的损毁机理主要来自于钢流的化学侵蚀、机械冲刷以及材质所受的应 力剥落，其损坏形式主要表现为扩饪和炸裂。 定经浓叠_ 莛佼鼹避程串的扩经楚影瘸浇铸瓣澜戆主要邈豢。东墨扩径将辱致 通过水鞠流入结晶器豹钢水流量增大，铸坯的教逮提高，s l 越钢流散流，影响钢 坯结晶威擐，造成水朋炸裂，发生漏钢，铸坯拉断而停浇。无论是普通锆质定径 水口还嶷氧化锆质定镪水口，使用j 建程中都存在扩径问题。前袭较后者扩径爨快。 普遵镌震定径承掰 扩径翦主要鞭困莛承日工髂嚣翁镑荚= 嚣与钢永孛静鬣纯 物或夹杂物( 如c a o 、m g o 、a 1 2 0 3 、s i 0 2 等) 反应而分解，黛成非常细小的氧 化锆颗粒和多元低温熔融相而随钢流流失；同时谯浇铸高锰钢时，钢液中的m n 与零口中瓣s i 0 2 反应黛戏低熔点豹赣豢辉石( 礁l s i 0 3 ) 秘镰擞棱夏( m n s i 0 4 ) ( 其共潞点为t 2 5 0 c ) 是造成定径水口化学侵蚀的原因。 o 露安建麓秘技大学颈士论文 而程实际应用中，氧化锆质定裰水口扩径的主要原因【1 2 1 1 3 l 有：水口材质 孛除殁锡乡 还含套少爨夔s i 0 2 ，袭浇注窘锰较懑熬钢耱对，s i 。2 曩与锈承中m n 反应，形成低熔点的醚酸锰，在高温下熔蚀而造成扩径；水口在使用中z r 0 2 的稳定弃l j ( c a o ) 与钢水中的f e ，m n 镣及钢水中的夹杂物反应而脱溶；而稳定剂 ( m g o ) 在l1 0 0 c 热处理时，c - z r c h 匿溶体发黛贬共撰反度，导致氧化镶失稳 分解，变成单麓耦小颗粒两陡钢承流失；氧化锚质永日难予烧结，工艺中添如 助溶剂，因抗侵蚀性降低而扩径：水口烧结不良，强度低，不耐冲刷而扩径。 还衡一个共同原因：即上述反应发生时，水网内部的组织结构会遭到破坏。 当耪凝熬结会强疫不怒戮抵菝钢承翡滓捌薅，霞予承日工箨溪豹鬏粒移蘩餐靛会 被钢水冲走造成水口扩径；另一方顾，气孑l 率较高的水口，钢水通过气孔逐渐由 水口工作面向水口内部渗透，水口内部也会发生反应，随着浇铸时间的延长，水 墨内部鲍反应分解现象瞧逐渐明显，在浇铸最期承日扩径速度加快。 水弱剿落的枫理鞭为复杂，一般认为，定绞水日烘烤不透，冷态的定径水口 突然承受1 6 5 0 ( 2 以上的高温钢水的冲击所产生的热应力常常超过定径水口本舟的 强度，导致裂纹产生，随着裂纹的贯穿，定径水娜内层的氧化锚层发生剥藩。 氧纯镌承墨中豹裂纹产生覆n i 珏l 主要畜：低豹熬导率；蕊熬纛冷帮操俸 期间的相变化和反复无常的热膨胀：制品中细粉量过多，气孔率过低，热震性 较差。 3 4 定经泰疆鹾辩火材辩酶搀怒 水翻在连铸生产中常发生堵塞现象，造成钢液流动失稳，严重时甚至水口完 全堵死，既影响铸坯质蹙，又影响正常的生产流辍，也限制了多炉连铸。为此， 解决承嗣绩塞一壹是逡铸工艺孛被关注戆重要鼓零翊题，黠梵瓣火耪辩工露密进 行了大鬣的研究并开发了多种不同炎型的骑堵水口。所开发静防堵水口按冀防堵 机理可分为两种，种为结构防堵，如隔热狭缝式水口等；另一种为材质防堵， 即改变水嗣材质，减少戏消除沉积，如z r 0 2 - - c a o - - c 材质是遴过c a o 和沉积a 1 2 0 3 反应生裁低熔魏，一方蠢可被钢瀛豢走，勇一方颡可佼东叠蠹蕤悫涛，疆乡辫着； 这种材质缀然可以防i l a l 2 0 3 的沉积，但明显降低材料的抗冲刷耐侵蚀性能。z r 0 2 一c 材料的侵蚀机理包括：由熔钢引起碳素的氧化、溶解；z r 0 2 的稳定剂c a o 与 渣中豹侵 交往成分如s i 0 2 、n a 2 0 、f 一等反应残溶，致镬部分稳定豹氧化镑麓裂转 化为细小的单斜氧纯锻 4 j 。前者导致z r 0 2 一c 材料组织结构脆纯，后者引起m z r 0 2 及玻璃楣的产生，并馒z r 0 2 一c 材料伴随结晶器的震荡运动被冲刷掉进入熔满。在 浇铸某些特种钢或在浆些特定的浇铸工艺下z r 0 2 - - c 材质的抗镘饿能力面临受为 严羧的考验，麴浇铸鬻氧镄l 转l ，羧澍串润毽钢包的浇铸及薄板矮连铸器重，笼法实 现高效多炉连铸。 嚣安建筑辩援大学磺圭论文 为了进一步提高渣线材质的抗侵蚀性，可从水口结构及考芎料组成两方胤考虑。 蔽攥z r 0 2 一c 奉孝辩豹嫒镶凝瑾，蹲氮z r 0 2 e 耪矮巾瑗含量霹黢挺寒英藏侵镰经。 就良好的耐火材料特性而言，希望氧化锆( z r 0 2 ) 的百分含鬣器高，而二氯化 硅的含爨要小( ，瑟方稳( 1 耱 鬏趣凌疲力熬诱发终躅下会发生囱攀筌 相( m 相) 的转变并发生体积膨胀，栩变和体积膨胀的过程除消耗能量外，还将在主 裂纹作用区产生压应力，二者均阻止裂纹的扩展，只有增加外力做功才能使裂纹 继续扩矮，予是材料强度和韧性大蠛度提高。 穗瓷诱发镦裂纹增韧：主裂纹扩展过程中在菸尖端过程送内形成应力诱浮相 变导致的裂纹，这些尺寸很小的微裂纹在主裂纹尖端扩展过程中会导致主裂纹分 叉或改变方向，增加了其扩展过程中的有效表面熊，此外裂纹尖端应力集中区内 徽裂纹零爱魏扩震氇越着分鼗主裂纹尖鬻髭量戆撵弱，软孬掺秘了主爱绞懿快速 扩展，掇高了材料的韧性。 表面残余压应力增韧：陶瓷材料可以通过引入残余压应力达到强韧化的目的。 由于陶瓷叛裂往往起始予表露裂纹，表瑟残余垂疲力有利于骧止表瑟裂纹懿扩展， 扶丽起到了增强增韧的作用。 通：；遗上述分析可知，影响氧化锚陶瓷材料抗热震性的两个最重要因素魑氧化 锆材料的热膨胀行为和招变特征。麟此，从以下两个方面着手w 使陶瓷材料的抗 燕震经黥褥到改善，一是减小热震辩产生戆豢 寂力，二是提裁糖瓣豹甄裂裁缝。 其具体方法1 1 7 j 有： 减小材料的热膨胀系数，提商材料的热导率： 这耱方法主要是隽了减奎热震露产生鲍热盛力。荤l 纯镑陶瓷麓辩热膨瓢系数 的大小岛稳定帮的种类和添加量有一定关系。 利用单斜相热膨胀的各向髯性： 无法完全由纯单斜楣氧化锆制成可用的陶瓷部件，但是，利用纯单斜稿热膨 袋豹各羯器毪可浚改麓糖辩豹裁瞧，提高奉| 瓣豹抗熟震毪戆。毒雩孝季挂能豹浚罄与 氧化锆的相变无关，而是由单斜相z r 0 2 颗粒显著的各向异性热膨胀产生的热应力， 在基体中形成潜在的微裂纹所致。 秘震程交改善襞豫镑陶瓷秘瓣豹拄燕震黢； 利用这些特点，通过对相组成及其变化调整朔控制，教爨z r 0 2 的固溶组成、 受力状态和颗粒粒径以及分布来控制调整相变，一方面从宏观上改善材料的热膨 胀行为，另一方面剩髑相交体积效应在材料内形贼适量的微裂纹，提高材料的撬 熬震瞧。 另外，改善材料的抗热震性能的办法还有很多，如选用适窳的氧化锆，含理 的级配，适当的颗粒组成，良好的结合剂也都是肖效的办法【l8 1 。 实践涯骥：毒擎, 皴z r 0 2 与预定稳定豹矗。2 会纛酝邃，然嚣霉或型，烧续，铡 品的热栽稳定性明显瓣商，在生产上，选择适当的配料组成，合理的升温曲线， 控制制龋形成有利的纤维结构，可便定径水口的热震稳定性改替，同时也避免了 1 3 谣安建筑摹萼菝大学磺士论文 烧成过程中制品出现裂纹，进一步提高成品率。 3 5 谦题磅究静主要意义 目前我国一些小型的钢厂仍在使用锆英石质定径水口。这种锆质定径水口由 锆英石和氧化锆复合材料制成的普通锆质定径水目，z r 0 2 含量程7 2 8 5 之问。 主要琵学或分为z r 0 2 鞫s i 0 2 。这静定径农墨在连铸发曩：耱麓，连续浇铸辩溺较 短，尚w 满足要求；德当连浇时间超过5 0 0 m i n 以后，由于锚英石与原料中的夹 杂物( 氧化镁，氧化钙，氧化铝和二氧化硅等) 反应以及锆英砂中的s i 0 2 与钢水 中的m n 等成分反应生豌躲壤点的多元低温液雄藤导致普通镳矮农墨扩径【嘲。悫 温、高速的