浸入式水口

浸入式水口
王德伟
随着炼钢连铸技术的发展，浸入式水口也取得了很大的发展。

浸入式水口结构和材质不断完善，在增产和提高钢质量中起着决定性作用。

浸入式水口在连铸工艺中位于中间包与结晶器之间，是钢水从中间包流向结晶器的导流管，其作用是：防止钢水二次氧化；控制钢水的流动状态和注入速度；促进夹杂物上浮，防止保护渣非金属夹杂物卷入钢水中。

它是连铸过程中最重要的功能耐火材料之一，其使用寿命决定了多炉连浇的炉数。

浸入式水口的结构分为常用结构（单层式）和特殊结构，常用结构根据安装的方式不同又分为内装式和外装式。

随着对钢材质量要求的提高以及对结瘤问题而采取的措施，浸入式水口的结构发展成了许多特殊的形式，根据浸入式水口不同部位对材质的不同要求有双层结构和多层结构。

随着钢铁连铸工业几十年的发展历史，作为连铸三大件的重要组成部分浸入式水口经历了几代产品的更新。

最初使用的是石英质水口，但这种材质的水口耐侵蚀性较差。

后来发展了铝碳质水口，铝碳水口在抗侵蚀、抗热震性上等性能上有了很大的提高，但是随着连铸技术的发展，浇铸速度的加快，保护渣的粘度降低，使渣线蚀损加剧，铝碳质水口已不能满足要求，于是发展铝碳-锆碳质复合浸入式水口。

（1）熔融石英质水口
熔融石英质浸入式水口是连铸技术“三大件”上最早使用的材质。

从上个世纪六十年代钢铁工业引进连铸技术开始到七十年代中期，这一时期主要以熔融石英质浸入式水口。

1973年我国研制成熔融石英质浸入式水口，使当时的连铸水平大大向一前跨了一步。

熔融石英制品具备良好的性能：热膨胀系数小，热震稳定性好，耐化学侵蚀（特别是酸和氯），耐冲刷，高温时粘度大，强度高，导热性低，电导率低；由于在烧成时收缩小，可以制得尺寸精确的制品。

缺点是在1100℃以上长期使用时，会发生向方石英的转变（即高温析晶），促使制品产生裂纹和剥落，不能浇铸含锰较高的特殊钢种，只能浇铸普碳钢和低锰钢。

（2）铝碳质浸入式水口
由于炼钢连铸技术的发展，熔融石英质浸入式水口的使用受到限制，尤其是
在浇铸锰钢等特殊钢种时，石英质水口的耐蚀性较差，不能满足生产的需要从上世纪七十年代末至八十年代，这个时期基本以发展成熟的Al2O3-C质浸入式水口为主。

1980年下半年我国研制成等静压成型的铝碳质水口，解决了锰含量较高钢种的浇铸。

其与熔融石英质浸入式水口相比有以下优点：耐钢水冲刷性好，对钢水污染少，长时间使用引起的温度变化小。

铝碳质水口在组成成分上，一般采用氧化铝-熔融石英-石墨的复合。

石墨具有高耐火度，高温强度极高，导热率高，热膨胀率及弹性模量低，耐热冲击性大，在高温下形成连续的网状结构，有利于提高含碳材料的耐热震性；另外由于石墨表面张力小，与熔渣的接触角在90°以上，使之不能进入含碳材料的毛细管，不易熔于熔融金属和炉渣，故具有耐蚀性强，有效防止熔渣侵入等优点。

缺点是在高温下易氧化，易溶解于钢水等。

制造铝碳质水口所用的石墨需加以精制，纯度应在99%以上，形状为磷片状是六角板状结晶，越是银黑色结晶发育好的石墨越能显示其特征，抗氧化性也越好。

氧化铝原料一般使用电熔或烧结氧化铝、合成莫来石等合成原料，纯度高，质量均匀，耐火度高，高温体积稳定性好，属中性，对各种炉渣的耐蚀性强，可利用各自的原料特性加以使用。

熔融石英是对高纯硅石等进行加热处理而制成的非晶体石英，纯度高，热膨胀系数极低（0.54×10-6），耐火度高。

为了提高制品的耐热冲击性和热震稳定性，利用其优良的特性，添加了少量熔融石英。

合理设计以上几种原料组成，用等静压制成型，N2气氛下烧成制成的浸入式水口，属于陶瓷结合型碳复合材料，石墨起到了结合碳的作用，具有良好的抗钢水冲刷能力和耐侵蚀性，长时间使用引起的温度变化少。

寿命比熔融石英质水口长，能进行多炉连铸，扩大了连铸钢种，成为连铸用水口的主流。

当今许多水口材质的技术进步，仍是在这个主流的基础上进行功能增加和工艺改进。

在实际应用中铝碳质水口存在以下缺点：耐热冲击性低，对保护渣的耐侵蚀性差；因导热性差，易于产生挂渣和氧化铝附着而引起水口的堵塞。

（3）铝碳-锆碳质复合浸入式水口
铝碳质水口由于具有一系列的优点，但也存着下列问题：不耐侵蚀而导致在渣线部位形成“缩颈现象”甚至断裂；水口内壁容易被钢水脱氧产物Al2O3等沉
积而堵塞水口。

并且由于新连铸技术的采用，浇钢温度高，拉速高，保护渣粘度较低，因而保护渣对浸入式水口的侵蚀加剧，Al2O3-C已不能满足这些种苛刻条件。

为了解决上述问题，上个世纪80年代日本从材质上开发出一种Al2O3-C/ ZrO2-C复合浸入式水口：本体主要采用Al2O3-C质、渣线部位采用ZrO2-C质复合材料。

这是由于氧化锆具有优良的化学稳定性，难以被以CaO-Al2O3-SiO2系连铸保护渣侵蚀，高温下溶入渣中的ZrO2增强了熔渣的粘度，而未被溶解的氧化锆颗粒又增强了渣的表观粘度。

从而降低了保护渣对氧化锆-石墨渣线层的侵蚀，提高了水口的耐蚀性。

实践证明，优质铝碳-锆碳质复合水口比铝碳质水口寿命提高近一倍，使用寿命可达到1200min。

连铸技术中，为提高钢坯质量，采用浸入式水口和保护渣浇注新工艺，要求浸入式水口具有抗热震稳定性好、耐侵蚀、不堵塞的性能。

浸入式水口的使用寿命受渣侵蚀和Al2O3沉积堵塞两个因素影响。

铝碳质浸入式水口在使用过程中存在着Al2O3在内壁的附着和堵塞，在连铸铝镇静钢时堵塞尤为严重，现已成为影响铸坯质量和浸入式水口使用寿命的关键因素。

目前主要采用本体Al2O3-C质、渣线复合ZrO2-C质的复合式浸入式水口。

在满足抗热震性的前提下，渣线材质抗结晶器保护渣的侵蚀性能和水口内部抵抗Al2O3结瘤的性能是决定浸入式水口使用寿命的关键因素。

上述水口的损毁主要集中在渣线部位，局部侵蚀严重，形成缩颈，严重时断裂。

防止渣线损毁的方法有：在浇注过程中采用中间包上下浮动，改变保护渣与水口接触部位；适当加厚渣线部位尺寸，严格控制立方ZrO2的比例及提高鳞片状石墨纯度；在Al2O3-C系材料中加BN；在ZrO2-C系材料中加SiC；喷涂耐侵蚀材料和用ZrB2等材质做保护圈。