在连铸工艺中,浸入式水口堪称钢水质量的“守护者”。它连接中间包与结晶器,隔绝空气,防止钢水氧化,减少夹杂物,确保流场稳定。然而,面对高温钢水冲刷、剧烈热震以及保护渣的强腐蚀,浸入式水口的使用寿命和性能始终是冶金工程师的痛点。如何在苛刻环境中延长水口寿命,同时满足特种钢和普通钢的浇铸需求?本文将从材料演进、结构优化和失效机理出发,剖析浸入式水口的技术挑战与解决方案,并探讨中国钢厂实现突破的路径。
浸入式水口的工作环境堪称“地狱级”。其上端承受中间包钢水的持续冲刷,下端浸入结晶器,暴露于保护渣的强腐蚀。保护渣中含萤石及钾、钠氧化物,低熔点、低黏度的特性使其侵蚀力远超长水口。此外,1500°C以上的高温和频繁的热震对材料的稳定性提出极高要求。相比长水口,浸入式水口不仅要耐受更复杂的物理化学作用,还要保证钢水质量不受夹杂物和氧化的影响。
为何这些挑战如此棘手?以保护渣侵蚀为例,其低黏度使渣液易渗入水口材料微孔,导致结构松散,甚至剥落。而高锰钢等特种钢的浇铸进一步加剧了侵蚀,传统材料如熔融石英在高连铸场景下迅速失效。更令人头疼的是,水口表面氧化和结瘤问题不仅缩短寿命,还可能引发钢水流场紊乱,影响铸坯质量。这些问题交织在一起,构成了浸入式水口技术革新的核心难题。
浸入式水口的故事始于20世纪60年代,熔融石英因其低成本和较好的热震稳定性成为首选。然而,石英质水口的短板很快暴露:抗保护渣侵蚀能力不足,寿命短,尤其在高连铸和特种钢生产中几乎“无能为力”。早期改进尝试在渣线区域引入抗侵蚀耐火材料,延长了部分寿命,但仍难以满足需求。
铝炭质水口的出现标志着一次重大突破。相比石英,铝炭质材料显著提升了抗冲刷和抗侵蚀性能。为增强热震稳定性,研发人员在配方中加入莫来石和熔融石英。然而,这一方案并非万能——莫来石和石英对抗高锰钢和保护渣的侵蚀依然不足,寿命瓶颈依旧存在。
为了应对这一挑战,复合型浸入式水口应运而生。渣线区域采用锆炭质或硼化锆炭质材料,主体使用铝锆炭或铝炭质,内层则针对低碳钢浇铸需求选用无碳的铝镁质或Sialon陶瓷。这种“分区设计”思路极大提升了水口的综合性能。例如,锆炭质渣线材料因其高ZrO2含量(可达77-80%)显著增强了抗渣侵蚀能力;而无碳内层则有效减少了低碳钢浇铸中的碳污染。
关键洞见:复合材料体系的成功在于精准匹配不同区域的服役条件,渣线抗侵蚀、本体抗热震、内层控夹杂,三者协同作用才能实现性能飞跃。
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材料创新之外,浸入式水口的结构与工艺优化同样关键。结瘤是铝镇静钢浇铸中的常见问题,氧化铝夹杂物在水口内壁沉积,阻塞流道,严重影响连铸稳定性。为此,行业引入了透气环吹氩技术,通过氩气扰动流场,促进夹杂物上浮,同时在内层采用锆酸钙或无碳耐火材料,显著降低了结瘤风险。
另一个痛点是水口表面氧化。高温下,含碳耐火材料易与空气反应,导致强度下降甚至断裂。解决方案是在水口表面涂覆防氧化涂层,这种涂层即使在高温烧蚀后也能有效防止氧化脱碳。此外,含碳材料的强导热性会导致水口表面温度过高,既恶化操作环境,又加剧结瘤。为此,表面覆盖耐火纤维毡成为一种实用方法,不仅隔热,还能稳定钢水温度。
结构设计也在不断进化。梯形水口和内孔叶轮的引入优化了钢水流场,减少涡流,促进夹杂物分离。这些改进看似简单,却在微观层面深刻改变了水口与钢水的相互作用。
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不同材质浸入式水口的性能差异直接决定了其适用场景。以下为几种典型水口的理化性能对比(基于行业标准数据整理):
部位 | 材质 | Al2O3 (%) | C (%) | ZrO2 (%) | SiO2 (%) | 显气孔率 (%) | 体积密度 (g/cm3) | 常温耐压强度 (MPa) | 高温抗折强度 (MPa) | 抗热震性 (次) |
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浸入水口1 本体 | 铝炭 | ≥48 | ≥30 | - | ≤15 | ≤17 | 2.27 | ≥17 | ≥6 | ≥5 |
浸入水口1 渣线 | 锆炭 | - | ≥15 | 77 | - | ≤18 | - | - | - | - |
浸入水口2 本体 | 铝炭 | ≥45 | ≥20 | - | ≤20 | ≤20 | - | ≥16 | ≥4 | ≥5 |
浸入水口2 渣线 | 锆炭 | - | ≥12 | 80 | - | ≤18 | - | - | - | - |
浸入水口3 | 石英 | - | - | - | ≥99 | ≤19 | 1.85 | ≥40 | - | ≥5 |
渣线 | ZrO2-ZrB-C | - | ≥12 | ≥60 | - | - | - | - | - | - |
内层 | 铝尖晶石 | ≥90 | - | - | - | - | - | - | - | - |
内层 | 莫来石质 | ≥60 | - | - | ≤35 | - | - | - | - | - |
从数据看,铝炭质水口在常温耐压强度和高温抗折强度上表现均衡,适合通用场景;锆炭质渣线因高ZrO2含量在抗渣侵蚀上占据优势;石英质水口虽耐压强度高,但因抗侵蚀性差,仅适用于低连铸场景。如何根据钢种和工艺选择最佳材料组合?科学的性能检测和失效分析是关键。
当前,中国浸入式水口的使用寿命普遍在10小时以内,与日本15小时以上的水平存在明显差距。原因何在?一是材料基础薄弱,耐火材料的抗侵蚀性和稳定性不足;二是产品质量波动大,工艺控制不严;三是使用策略保守,钢水供应断续导致连铸效率低下。
要实现突围,材料创新是核心。借鉴复合水口的成功经验,未来可探索更先进的陶瓷基复合材料,如Sialon与锆基材料的协同配方。同时,工艺优化需跟进,例如通过精准的无损探伤技术提升水口质量稳定性。此外,钢厂需优化连铸调度,确保钢水供应的连续性。
突围的关键在于系统性创新:从材料配方到结构设计,再到工艺控制,每一环节都需精益求精。
浸入式水口技术仍在快速发展。未来,智能化设计(如基于流场模拟的动态优化)和新型涂层技术(如纳米级抗氧化涂层)有望进一步延长水口寿命。同时,针对特种钢的定制化水口将成为趋势,例如开发专为超低碳钢优化的无碳内层材料。
对于钢厂和耐火材料供应商而言,挑战不仅是技术的突破,更是品控的稳定。专业检测服务在这一过程中不可或缺,从原材料成分分析到水口失效机理研究,都需要高精度的测试支持。
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通过材料、结构与工艺的协同创新,浸入式水口必将在中国连铸技术中扮演更重要的角色,助力钢企迈向高质量发展的快车道。