连铸用耐火材料详解

1 浸入式水口

我国从1973年4月份后开始制造浸入式水口，并用于连铸生产。当时的浸入式水口为组合式，即由中间包水口和浸入钢水部分的下水口组成。浸入式水口完全用熔融石英玻璃采用泥浆浇注法制成，该耐火材料用于连续浇注普碳钢，表现出色。但对于含锰较高的钢种和特殊钢种，熔融石英浸入式水口的寿命大大降低，不能满足钢厂的要求。

为适应我国连铸技术发展的需要，1975年下半年，研究开发出机压成型的铝碳质浸入式水口。1980年以后，出现用等静压机生产的铝碳质浸入式水口，但浸入式水口是用低等级石墨和特级矾土制成的，使用的结合剂为焦油沥青，污染严重，没有发展前途。1989年，青岛耐火材料厂从日本黑崎引进了整条铝碳铝锆碳制品生产线，用电熔白刚玉、棕刚玉、尖晶石、氧化锆、氧化镁、高纯石墨，特殊添加剂Al、Si、B4C、SiC等以及酚醛树脂结合剂制料，采用等静压机成型，生产高档铝碳、铝锆碳浸入式水口，填补了我国此项技术的空白。从此我国开始生产适用于含锰较高钢种和其他特殊钢种连铸用浸入式水口。

1.1 按照浸入式水口材质分类

1.1.1  铝碳质耐火材料  目前，制造铝碳质浸入式水口所用的原料主要有：电熔白刚玉、板状刚玉、电熔棕刚玉、尖晶石、氧化锆、高纯氧化镁、高纯石墨，特殊添加剂Al、Mg、Si、B4C、SiC和氮化物等以及酚醛树脂结合剂等。根据连铸浇注的钢种和连浇炉数要求，将铝碳质浸入式水口中的Al2O3和C的成分设计为4个等级： Al2O3含量分别为40%～45%、45%～50%、50%～55%、55%～60% 。铝碳质浸入式水口中C的成分，可以在25%～30% 的范围内调整。通常选用酚醛树脂作为铝碳质浸入式水口的结合剂。

铝碳质浸入式水口的技术指标在下列范围内：体积密度2.35～3.15 g/cm3，显气孔率12%～18%，耐压强度20～35 MPa，抗折强度6～14 MPa。

虽然铝碳质浸入式水口对钢水适应性强，使用寿命长，但也存在以下问题：1）在浇注含A1镇静钢和含Ti不锈钢时，易发生Al2O3和TiO2堵水口现象，使连铸中断，影响连铸生产正常进行，且对铸坯质量有一定的影响。2）不耐侵蚀，长时间浇注会在渣线部位形成“缩颈现象”，甚至断裂。

1.1.2  铝锆碳质耐火材料  为了解决铝碳质浸入式水口不耐侵蚀的问题，研究开发了铝锆碳浸入式水口，即在其渣线部位复合一层锆碳质材料，提高水口的抗侵蚀能力。渣线部位ZrO2含量的多少，直接影响水口的抗侵蚀能力，ZrO2含量越高，则抗侵蚀能力越强。

浸入式水口渣线部位的ZrO2含量设计为3档，分别为65%～70%、70%～75%、75%～81%；C含量为12%～17%。

铝锆碳浸入式水口的结构见图1B。水口本体技术指标同铝碳浸入式水口，渣线部位技术指标为：体积密度3.25～3.75 g/cm3，显气孔率14%～18%，耐压强度20～27 MPa，抗折强度6～8 MPa。

1.1.3  锆钙碳质耐火材料  为了防止钢水中析出的Al2O3附着在水口内壁上，引起水口堵塞，可采用吹氩的方法解决。吹氩铝碳质浸入式水口结构见图1C。其工作原理是：在浸入式水口本体与内孔体之间，有一条1～2 mm的环缝，本体不透气，内孔体透气。在浇注时，通过安装在本体的吹氩管，向环缝吹入氩气，使氩气充满环缝，在一定压力下，通过内孔体，并在内壁形成一层气膜，防止钢水中的Al2O3附着在内壁上，并被钢水带走，从而防止水口堵塞。

吹氩铝碳质浸入式水口的防堵塞效果虽然较好，但吹氩强度很难掌握。吹氩量过大，易使铸坯出现皮下针孔，影响铸坯质量；吹氩量不足，浸入式水口仍会被堵塞。

由于吹氩铝碳质浸入式水口还有许多不足之处，近年来又改进了浸入式水口材质。目前主要使用锆钙碳防堵材料作为水口的内衬。其工作原理是：在浇注时，水口材料中的CaO、SiO2与钢水中析出的Al2O3生成低熔物，被钢水冲刷掉。浸入式水口防堵层中的锆钙碳含量设计为：ZrO2 40%～45% 、CaO 20%～22%、C 18%～22%。

不吹氩防堵塞浸入式水口的本体和渣线部位的材质相同。技术指标为：体积密度3.60～3.75 g/cm3，显气孔率15%～18%，耐压强度22～26 MPa，抗折强度5～7 MPa。

1.1.4  尖晶石质耐火材料  ZrO2-CaO-C质防堵塞浸入式水口，虽然防堵效果较好，但还存在一些问题。这是因为材料中的CaO与钢水中析出的Al2O3反应，并非都能形成低熔物。主要是由于水口材质中C和SiO2的存在造成的。因此，又研究开发了不含硅、碳的铝镁尖晶石材料制作的无硅无碳浸入式水口，即在水口内孔体上复合一层无硅无碳的尖晶石材料，防止铝碳质浸入式水口的堵塞。实践证明防堵效果较好。

无硅无碳浸入式水口中防堵层的成分设计为：Al2O3 55%～65%、MgO 18%～22%。

无硅无碳浸入式水口的结构见图1D。技术指标为：体积密度2.60～2.65 g/cm3，显气孔率18%～22%，耐压强度20～26 MPa，抗折强度5～7 MPa。

1.1.5  高铝碳质耐火材料  随着连铸工艺的不断发展和完善，连铸多炉连浇水平得到极大的提高。而浸入式水口的使用寿命有限，并在使用过程中不能更换，限制了单只中间包最大化的多炉连浇。因此，使用快速更换水口装置，可以实现在单只中间包浇注过程中，快速更换一次或多次浸入式水口，从而提高了单只中间包的使用寿命，并取得较大的经济效益。

快速更换装置用水口，由带有滑动面的上水口和浸入式水口组成。

在使用过程中，要求滑动面具有足够的强度和耐磨性，还要求上水口碗部具有透气性。因此，对其使用的材质有特殊的要求，一般根据上水口的使用特性，将其透气层的材质设计为中铝质（相对于高铝质而言）：Al2O3 55%～70% 、C 18%～26%。

上水口透气层的技术指标为：体积密度2.40～2.60 g/cm3，显气孔率16%～25%。

将快速更换用浸入式水口的滑动面的成分设计为高铝碳质，浸入式水口滑动面的技术指标为：耐火材料的体积密度2.80～2.85 g/cm3，显气孔率16%～18%，抗折强度10～12 MPa 。

快速更换用水口的本体或渣线部位的技术指标，可参考铝碳质和铝锆碳质的技术指标。

1.2 按照安装方式分类

浸入式水口分为外装式和内装式。内装式水口一般为直通水口，碗部与塞棒头部配合，起到控制钢水流量的作用；外装式水口分为带突出孔的浸入式水口和直通水口两种。此外，外装式浸入式水口和装在中间包中的中包水口以及塞棒共同组成控制钢水流量的装置。

1.3 按照使用场合分类

浸入式水口分为小方坯水口、大方坯水口、矩形坯水口、圆坯水口、宽厚板坯水口、薄板坯水口等。

1.4 按照功能分类

浸入式水口分为一般铝碳浸入式水口、一般铝锆碳浸入式水口、快速更换浸入式水口、薄板坯浸入式水口、防堵水口、无硅无碳水口等；对于薄板坯浸入式水口来说，成熟的制作技术目前当属维苏卫，维苏卫不仅有薄板坯浸入式水口的制作技术，还有与其配套的中包快换机构。现在国内各大型耐火材料企业虽开发出薄板坯浸入式水口，但技术还不是很成熟，尚处于起步阶段，后面的路还很长，需要耐火材料公司技术人员不懈地努力。

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