一种防止絮流浸入式水口及其制作、使用方法

摘要

本发明涉及一种防止絮流浸入式水口及其制作、使用方法，所述浸入式水口包括水口本体，所述水口本体由上至下依次为碗部、本体、渣线层、2个对称的侧孔出钢口和三角形分流体，其中水口本体采用铝碳材料，渣线层采用锆碳材料；还包括外面层和内面镶嵌层，外面层采用耐火纤维制作，内面镶嵌层由以下组分按重量百分比组成：氧化锆60～65％，氧化钇20～25％，氧化钙2～5％，氧化镁10～15％。本发明根据Y2O3耐高温性及其与MgO共同作用时可降低ZrO2基材质的热膨胀率及高温热震性的特点，研制出ZrO2基复合材料用做浸入式水口的内面镶嵌层，适用于铝镇静钢种浇注，能够提高钢种洁净度，有效防止水口絮流发生。

说明书

技术领域

本发明涉及炼钢连铸技术领域，尤其涉及一种防止絮流浸入式水口及其制作、使用方法。

背景技术

连铸过程中，中间包及浸入式水口的堵塞是连铸铝镇静钢时出现的一个普遍问题。由此，对连铸工艺的关键耐火材料一浸人式水口的性能提出了更高的要求。传统的熔融石英质浸人式水口，由于浇注Mn含量高的钢种耐蚀性极差，已趋于淘汰。近几年，性能较好的AL₂O₃-C质水口和AL₂O₃-C/ZrO₂-C质复合型水口也面临发展的瓶须。一方面，是由于铝碳质水口中AL₂O₃的堵塞问题难以有效地解决；另一方面，是由于汽车等工业对纯净等高性能钢的大幅度需求。

铝碳质浸人式水口在浇铸铝镇静钢、含铝高的钢、稀土钢、含钛钢时，会出现严重的AL₂O₃结瘤堵塞，造成钢流态不稳定，甚至水口堵死，严重威胁着钢坯的质量和多炉连铸的效率。研究表明，AL₂O₃附着机理为：高温下，铝碳质水口耐火材料与钢液发生反应，在水口内壁面形成脱碳层，使AL₂O₃骨料暴露出来而形成粗糙面。同时，水口中的碳与其中的AL₂O₃、SIO₂发生还原反应，还原产物及CO进一步与钢液中的AI发生反应生成AL₂O₃沉积，沉积附着在裸露于水口内壁面的AL₂O₃骨料上，在耐火材料表面形成网络状AL₂O₃。随后，钢液中悬浮的脱氧产物-AL₂O₃粒子在钢流和涡流的作用下，频繁与水口内壁面上的网络状AL₂O₃碰撞、接触，在界面张力的作用下，二者产生类似于团聚现象中的接触并互相烧结，从而造成水口内壁面上的AL₂O₃沉积附着和堵塞。在这一过程中，一般认为，当AL₂O₃颗粒间的熔钢在界面张力的作用下从中排出时，就形成了珊瑚状AL₂O₃沉积物；当熔钢不能从中排出时，则形成含有金属夹杂的AL₂O₃沉积物，造成水口堵塞。此外，由于石墨的良好导热性，使水口内壁—钢液界面温度降低，钢液中溶解的AI达到饱和状态，也会促使AL₂O₃沉积，造成水口的AL₂O₃沉积附着堵塞。

目前，针对AL₂O₃堵塞所要做的工作主要有两个方面:一方面是在工艺过程中要严格把关，改进脱氧方式，力争提高钢的纯净度，采取必要的保温措施，防止钢水温度过度下降； 另一方面是对水口的结构和材质进行改进，力求达到最好的效果。

防止AL₂O₃附普堵塞结构改进有如下主要措施：

1)水口中吹氮防止AL₂O₃附着；在日本，吹氮是应用较为广泛的一种防AL₂O₃附着堵塞的方法。通过吹氮可以降低钢液中悬浮的AL₂O₃粒子与水口内壁的接触频率，减少AL₂O₃的沉积粘附。但是，这种水口结构复杂，防堵塞效果有限，在实际操作中，吹气量小时，防堵塞效果不明显；过量吹入氮气，易使钢中产生针孔，降低钢材质量；吹气还造成钢水局部产生紊流，加剧水口蚀损。此外，随着薄板坯连铸连轧新工艺的逐渐采用，水口向薄板化、异型化发展，近来有少用或不用吹氨的趋势。

2)采用阶梯状水口防止AL₂O₃附着堵塞；采用阶梯状水口可以改变钢流状态从而有效地防止了AL₂O₃的附着堵塞。有人利用水模试验研究了浸人式水口内壁形状对水口内流体流动状态的影响，并开发研制了双阶梯状内壁的浸人式水口。结果发现，双阶梯状内壁的浸人式水口可以使得结晶器内壁钢液流动状态更为均匀，同时可以降AL₂O₃在水口内壁的沉积粘附。

3)增加保温隔热层，防止钢液温度过低；铝碳质水口具有较高的导热性，浇铸时水口外壁温度急剧下降，加上高的热辐射，使水口表面温度由1530℃降到800℃左右，钢液中的AL₂O₃浓度达到饱和状态，易析出造成粘附。所以，通过采用在水口外壁周围粘贴厚20mm及渣线部位上加厚至25mm的纤维隔热材料进行保温，可以降低水口的热损失，减少温差，抑制钢液中的AL₂O₃浓度达到饱和，产生析出附着。大量文献研究表明，狭缝有隔热的效果，同时他们让水口未浸部分采用低热导材料，对防止AL₂O₃的附着也有较好的效果。

由于上述结构改进在解决AL₂O₃等及杂物附着方面很有限，材质改进因此成为主要关注方面。铝碳质浸入式水口在连铸Al镇静钢和Al-Si镇静钢等特种钢时,水口内壁易发生氧化铝结瘤现象,不但影响了连铸的连续性作业,而且还造成结晶器内钢水流向紊乱,使铸坯质量恶化。与此同时,由于粘附物的剥落,也很容易在制品中产生夹杂物缺陷。研究表明,铝碳水口中碳的存在是生成氧化铝结瘤的主要原因之一,发生的主要反应如下:

SiO₂(s)+C(s)＝SiO(g)+CO(g)

3SiO(g)+2Al＝Al₂O₃(s)+3Si

因此,研究复合无碳内衬的浸入式水口已成为发展的主要方向之一。

发明内容

本发明提供了一种防止絮流浸入式水口，根据Y₂O₃耐高温性及其与MgO共同作用时可降低ZrO₂基材质的热膨胀率及高温热震性的特点，研制出ZrO₂基复合材料用做浸入式水口的内面镶嵌层，适用于铝镇静钢种浇注，能够提高钢种洁净度，有效防止水口絮流发生；本发明同时提供了该浸入式水口的制作及使用方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种防止絮流浸入式水口，包括水口本体，所述水口本体由上至下依次为碗部、本体、渣线层、2个对称的侧孔出钢口和三角形分流体，其中水口本体采用铝碳材料，渣线层采用锆碳材料；还包括外面层和内面镶嵌层，外面层采用耐火纤维制作，内面镶嵌层由以下组分按重量百分比组成：氧化锆60％～65％，氧化钇20％～25％，氧化钙2％～5％，氧化镁10％～15％。

所述内面镶嵌层镶嵌在水口本体的圆形空腔内，位于侧孔出钢口以上部位，内面镶嵌层外部设多道固定槽用于与水口本体固定连接。

一种防止絮流浸入式水口的制作方法，包括如下步骤：

1)原料准备：

水口本体的原料按各组分重量百分比为：天然石墨18％～25％，电熔白刚玉59％～70％，金属硅1.5％～4％，金属铝1％～3％，金钢砂2％～4％，碳化硼2.5％～5.5％；

渣线层的原料按各组分重量百分比为：电熔锆刚玉22％～29％，电熔白刚玉65％～70％，炭黑2％～4％，金属硅2％～4％；

外面层为耐火纤维纸或耐火纤维毡；

内面镶嵌层的原料按各组分重量百分比为：氧化锆60％～65％，氧化钇20％～25％，氧化钙2％～5％，氧化镁10％～15％；

2)配料：

将水口本体、渣线层和内面镶嵌层的原料分别按照以上配比混合均匀，水口本体和渣线层分别按重量百分比外加6％～8％的酚醛树脂结合剂，使用造粒机造粒，造粒后料经烘干床烘干，使之满足成型要求；内面镶嵌层按重量百分比外加3％～5％的酚醛树脂搅拌均匀待用；

3)成型：

将内面镶嵌层配料放入预制成型模具中，使用成型机在工作压力50～100MPa压力下 预制为预成型坯，其外部设有多道固定槽；再将水口本体造粒料、渣线层造粒料和内面镶嵌层预成型坯分别按次序放入成型模具中，使用成型机在工作压力100～200MPa压力下压制成型；将成型后的水口置于110～130℃烘箱中烘烤18～20小时，然后将成型产品在梭式窑中于1500～1800℃无氧条件下烧制6～8小时；

4)机械加工和表面处理：

烧成产品经过切削加工后，自渣线层以上部位的外部包裹粘贴一层外面层，且渣线层以上部位粘贴的外面层厚度是渣线层部位粘贴外面层厚度的1.5～2.0倍；全部完成后即制成浸入式水口。

一种防止絮流浸入式水口的使用方法，包括如下步骤：

1)使用前先对浸入式水口进行烘烤，使其温度达到1000～1150℃；

2)使用浸入式水口进行浇注，浇注过程中进行吹氩保护；

3)对结晶器保护渣液渣层进行测量，当液渣层达到10～15mm时，关闭氩气。

现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明根据Y₂O₃耐高温性及其与MgO共同作用时可降低ZrO₂基材质的热膨胀率及高温热震性的特点，研制出ZrO₂基复合材料用做浸入式水口的内面镶嵌层，适用于铝镇静钢种浇注，能够提高钢种洁净度，有效防止水口絮流发生；

2)制作及使用方法简单。

附图说明

图1是本发明所述防止絮流浸入式水口的结构示意图。

图中：1.水口本体 2.外面层 3.渣线层 4.内面镶嵌层 5.圆形空腔 6.侧孔出钢口 7.固定沟槽 8.三角形分流体

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，是本发明所述防止絮流浸入式水口的结构示意图。本发明所述一种防止絮流浸入式水口，包括水口本体1，所述水口本体1由上至下依次为碗部、本体、渣线层3、2个对称的侧孔出钢口6和三角形分流体8，其中水口本体1采用铝碳材料，渣线层3采用锆碳材料；还包括外面层2和内面镶嵌层4，外面层2采用耐火纤维制作，内面镶嵌层4由以下组分按重量百分比组成：氧化锆60％～65％，氧化钇20％～25％，氧化钙2％～5％，氧化镁10％～15％。

所述内面镶嵌层4镶嵌在水口本体1的圆形空腔5内，位于侧孔出钢口6以上部位，内面镶嵌层4外部设多道固定槽7用于与水口本体1固定连接。

一种防止絮流浸入式水口的制作方法，包括如下步骤：

1)原料准备：

水口本体1的原料按各组分重量百分比为：天然石墨18％～25％，电熔白刚玉59％～70％，金属硅1.5％～4％，金属铝1％～3％，金钢砂2％～4％，碳化硼2.5％～5.5％；

渣线层3的原料按各组分重量百分比为：电熔锆刚玉22％～29％，电熔白刚玉65％～70％，炭黑2％～4％，金属硅2％～4％；

外面层2为耐火纤维纸或耐火纤维毡；

内面镶嵌层4的原料按各组分重量百分比为：氧化锆60％～65％，氧化钇20％～25％，氧化钙2％～5％，氧化镁10％～15％；

2)配料：

将水口本体1、渣线层3和内面镶嵌层4的原料分别按照以上配比混合均匀，水口本体1和渣线层3分别按重量百分比外加6％～8％的酚醛树脂结合剂，使用造粒机造粒，造粒后料经烘干床烘干，使之满足成型要求；内面镶嵌层4按重量百分比外加3％～5％的酚醛树脂搅拌均匀待用；

3)成型：

将内面镶嵌层4配料放入预制成型模具中，使用成型机在工作压力50～100MPa压力下预制为预成型坯，其外部设有多道固定槽7；再将水口本体1造粒料、渣线层3造粒料和内面镶嵌层4预成型坯分别按次序放入成型模具中，使用成型机在工作压力100～200MPa压力下压制成型；将成型后的水口置于110～130℃烘箱中烘烤18～20小时，然后将成型产品在梭式窑中于1500～1800℃无氧条件下烧制6～8小时；

4)机械加工和表面处理：

烧成产品经过切削加工后，自渣线层3以上部位的外部包裹粘贴一层外面层2，且渣线层3以上部位粘贴的外面层2厚度是渣线层3部位粘贴外面层2厚度的1.5～2.0倍；全部完成后即制成浸入式水口。

一种防止絮流浸入式水口的使用方法，包括如下步骤：

1)使用前先对浸入式水口进行烘烤，使其温度达到1000～1150℃；

2)使用浸入式水口进行浇注，浇注过程中进行吹氩保护；

3)对结晶器保护渣液渣层进行测量，当液渣层达到10～15mm时，关闭氩气。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例】

本实施例中，防止絮流浸入式水口用于薄板坯连铸，其具体结构如下：

浸入式水口的圆形空腔5直径为90mm，总长度为680mm，下部三角形分流体8的顶角为110°；侧孔出钢口6的入口宽度为62mm，高度为37mm；侧孔出钢口6的出口宽度为65mm，高度为38mm，侧孔出钢口6的角度为向下倾斜55°。内面镶嵌层4厚度为20mm，水口本体1厚度35mm，外面层2厚度为15mm。

水口本体1的原料按各组分重量百分比为：天然石墨21％，电熔白刚玉67％，金属硅3％，金属铝2％，金钢砂3％，碳化硼4％；

渣线层3的原料按各组分重量百分比为：电熔锆刚玉25％，电熔白刚玉68％，炭黑3％，金属硅4％；

外面层2为耐火纤维纸或耐火纤维毡；

内面镶嵌层4的原料按各组分重量百分比为：氧化锆63％，氧化钇23％，氧化钙3％，氧化镁11％；

2)配料：

将水口本体1、渣线层3和内面镶嵌层4的原料分别按照以上配比混合均匀，水口本体1和渣线层3分别按重量百分比外加6％的酚醛树脂结合剂，使用造粒机造粒，造粒后料经烘干床烘干，使之满足成型要求；内面镶嵌层4按重量百分比外加4％的酚醛树脂搅拌均匀待用；

3)成型：

将内面镶嵌层4配料放入预制成型模具中，使用成型机在工作压力70MPa压力下预制为预成型坯，其外部设有8道固定槽7；再将水口本体1造粒料、渣线层3造粒料和内面镶嵌层4预成型坯分别按次序放入成型模具中，使用成型机在工作压力150MPa压力下压制成型；将成型后的水口置于110℃烘箱中烘烤18小时，然后将成型产品在梭式窑中于1600℃无氧条件下烧制6小时；

4)机械加工和表面处理：

烧成产品经过切削加工后，自渣线层3以上部位的外部包裹粘贴一层外面层2，且渣线层3以上部位粘贴的外面层2厚度是渣线层3部位粘贴外面层2厚度的1.5倍；全部完成后即制成浸入式水口。

一种防止絮流浸入式水口的使用方法，包括如下步骤：

1)使用前先对浸入式水口进行烘烤，使其温度达到1100℃；

2)使用浸入式水口进行浇注，浇注过程中进行吹氩保护；

3)对结晶器保护渣液渣层进行测量，当液渣层达到15mm时，关闭氩气。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。