CN101254535A - 一种浇注钢水用定径水口及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金工业设备的技术领域，公开了一种浇注钢水用定径水口，在定径水口的煅烧前原料中还添加复合稳定剂，所述的稳定剂包括CaO、Y₂O₃、MgO。本发明还公开了这种定径水口的制造工艺，该工艺采用两步煅烧法，即在按所述比例配料、混合后，进行一次高温煅烧成为稳定ZrO₂，烧结后进行破碎，加入结合剂和电熔单斜ZrO₂，按产品形状高压成型，再进行一次煅烧完成。采用上述技术方案，提高了定径水口的稳定性和使用寿命，降低了煅烧温度和制造成本。

Description

一种浇注钢水用定径水口及其制造工艺

技术领域

本发明属于冶金工业设备的技术领域，涉及炼钢设备中浇注钢水用的定径水口。同时，本发明还涉及这种浇注钢水用定径水口的制造工艺。

背景技术

在炼钢设备中，用于浇注钢水的定径水口设在连铸中间包的下部。定径水口的安装过程是：首先把水口和高铝外套用耐火胶泥粘接，组成复合式定径水口，然后安装在中间包下部出钢口座砖内。生产时，钢液由钢包流进中间包，经定径水口流向连铸结晶器。用95％-ZrO₂(氧化锆)制成的定径水口耐钢液冲刷、抗侵蚀性较好，在使用过程中能较长时间保持孔径稳定，使钢液流向结晶器的速度较为稳定。

氧化锆为多晶材料，其晶体有三种变体，即单斜晶、四方晶和立方晶。从室温到850℃单斜晶ZrO₂是稳定的，但在850～1170℃时发生单斜晶到四方晶的转变，1170～2370℃发生四方晶到立方晶转变，属典型的马氏体相变，表现为无扩散反应、高温相变和热滞现象，位移转变发生在冷却和加热之间的滞后温度区。在这种过程中出现的压应力和拉应力，不能被基质的弹性变形和塑性变形抵消，结构就会出现一系列的裂纹。这两种转变都是可逆的，总的体积变化为8％左右。

现在一般使用的95％-ZrO₂定径水口都是使用电熔稳定氧化锆为主要原料，按照一定配比，加入少量的电熔单斜氧化锆或脱硅氧化锆，采用有机结合剂，压制成型，经1700～1800℃烧成。这种生产方式主要存在以下不足：

一是产品质量不太稳定。这是因为用来生产稳定氧化锆的原料质量是不断波动的。在生产过程中工艺的控制变化也对电熔稳定氧化锆质量有一定影响。所以同一厂家生产的同批次定径水口在使用过程中其使用寿命长短不一，甚至会出现炸裂现象。

二是产品比较难于烧结。使用稳定电熔氧化锆的烧结温度较高，一般经1750～1800℃烧成，产品的物理性能为：体积密度4.60～4.90g/cm³，显气孔率16～20％。经1700℃烧成的95％-ZrO₂定径水口的物理性能一般为：体积密度4.20～4.50g/cm³，显气孔率18～26％，由于这种95％-ZrO₂定径水口体积密度较低，显气孔率较高，不耐钢液冲刷和侵蚀，使用过程中水口扩径严重，使用寿命较短。

三是产品原料成本高。按现行价，氧化钙稳定的电熔氧化锆为4.5～4.8万元/吨；氧化镁稳定的电熔氧化锆6.4万元/吨，且市场很难买到；氧化钇稳定的电熔氧化锆更是超过了7.5万元/吨；而单斜电熔氧化锆仅为3.1～3.5万元/吨。

发明内容

本发明所要解决的第一个问题是提供一种浇注钢水用定径水口，其目的是提高定径水口的稳定性和延长寿命。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

所提供的这种浇注钢水用定径水口，以单斜ZrO₂为主要原料，加入结合剂，经混合搅拌、压制成型并高温烧结，在所述的定径水口的煅烧前原料中还添加复合稳定剂，所述的复合稳定剂中包括CaO、Y₂O₃、MgO，或其中的任意一种，或其中的任意两种。

本发明在上述技术方案的基础上，提供了上述成分的比例：所述的复合稳定剂包括CaO、Y₂O₃，且煅烧前定径水口的原料中所含成分的质量比例为：以ZrO₂为100％，另加CaO：2％～3％、Y₂O₃：1％～2％。

更具体地，所述的煅烧前定径水口的原料中所含成分的质量比例为：以ZrO₂为100％，另加CaO：2.5％、Y₂O₃：1.5％。

本发明要解决的第二个问题是提供以上所述浇注钢水用定径水口的制造工艺，其目的与上述技术方案相同。所采取的技术方案为：

该制造工艺采用两步煅烧法，即在按所述比例配料、混合后，进行一次高温煅烧成为稳定ZrO₂，烧结后进行破碎并筛分，加入结合剂和电熔单斜ZrO₂，按产品形状高压成型，再进行一次煅烧完成。

更具体地，上述制造工艺包含下列步骤：

(a)、将原料按所述比例并另外加水，进行配料；

(b)、将上述配料，加入聚乙烯球，混合搅拌，出料并筛出聚乙烯球；

(c)、烘干；

(d)、加水，混合均匀，高压成型；

(e)、烘干；

(f)、煅烧，成为稳定ZrO₂；

(g)、出窑破碎、破碎后按目数筛分分级；

(h)、将出窑原料按筛分分级目数配比、加入电熔单斜ZrO₂，按比例配料；

(i)、混合搅拌；

(j)、加入地板胶；

(k)、泥碾混合；

(l)、在模具中按产品形状高压成为坯型，成型后静置一天；

(m)、烘干；

(n)、煅烧，成为成品；

(o)、出窑，挑选出合格品，入库。

下面提供的是该工艺过程中所涉及的技术参数：

在上述的步骤(f)中，煅烧的温度为大于或等于1700℃，煅烧及保温时间为170min～190min，最佳时间为180min。

在上述的步骤(n)中，其煅烧的工艺参数为：温度最高为1700℃，其升温速率在不同的温度段分别为：

室温～850℃，8℃/min；

850℃～1200℃，1.5℃/min；

1200℃～1550℃，3.5℃/min；

1550℃～1700℃，1℃/min；

上述升温速率允许偏差在10％范围内；

总煅烧时间为：768min±20min。

在上述的步骤(g)中，所述的破碎后按目数筛分分级，是按60～120目和200目以下进行筛分分级。

在上述的步骤(h)中采用步骤(g)中的60～120目和200目以下的原料，加入目数为1200目以下的电熔单斜ZrO₂；所述的步骤(j)中加入地板胶；

上述各成分在配比时，按质量比例为：

以ZrO₂的总质量为100％计算，包括：

60～120目的稳定ZrO₂：55％±3％；

200目以下的稳定ZrO₂：20％±2％；

1200目以下的电熔单斜ZrO₂：25％±2％；

所述地板胶按上述比例，外加1.5％±0.2％。

在上述的步骤(c)、步骤(e)和步骤(m)中，所述的烘干的工艺参数均为：

干燥温度：105℃～115℃，最佳温度为110℃；

烘干时间：23.5hr～24.5hr，最佳烘干时间为24hr。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，取得了良好效果：

使用电熔单斜氧化锆原料，通过加入氧化钙、氧化镁、氧化钇等稳定剂，经煅烧后形成稳定单斜氧化锆，制取生产95％-ZrO2定径水口的原料；这样可以根据加入稳定剂的种类和数量来控制定径水口所用稳定氧化锆原料的稳定性，达到产品质量稳定的目的，稳定氧化锆的稳定化率达68％，稳定化率适当，产品热震稳定性能好，在使用过程中不会发生炸裂现象；

通过二次煅烧，使得体积密度均大于4.85～5.10g/cm³，也使得显气孔率低于16％～10％，因此侵蚀速率更低，最小侵蚀速率仅0.075mm/hr；整个连铸过程中，拉速平稳，水口扩径较小，使用寿命延长，实际应用中均超过10hr；

在不影响产品使用性能的条件下，有效降低产品的烧成温度，经试验验证，煅烧烧成温度可从1800℃降低至1700℃；

降低产品的原料成本，具体来说，产品的原料成本每吨下降了1万余元。

附图说明

下面对本说明书附图所表达的内容作简要说明：

图1为本发明中定径水口制造工艺的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如产品的具体组成成分、性能、作用、产品的制造工艺、产品的应用及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的总体构思、详细的技术方案有更完整、准确和深入的理解，有利于上述相关人员更好和更方便地实施本发明。

本发明提供了一种浇注钢水用定径水口，所述的这种定径水口，以氧化锆(ZrO₂)为主要原料，加入结合剂，经混合搅拌、压制成型并高温烧结。

在此基础上，为了解决在本说明书背景技术部分所述的目前公知技术存在的问题并克服其缺陷，实现提高定径水口的稳定性、延长使用寿命、降低煅烧温度并降低成本的发明目的，本发明还采取了如下技术方案：

在所述的定径水口的煅烧前原料中还添加复合稳定剂，所述的稳定剂包括CaO、Y₂O₃、MgO，或其中的任意一种，或其中的任意两种。

向单斜氧化锆中加入适量的稳定剂，可以抑制ZrO₂晶体的转化，保持四方晶和立方晶的高温相，在室温下呈亚稳定状态，使单斜氧化锆转变为稳定氧化锆。

工业氧化锆所使用稳定剂阳离子的半径一般接近Zr⁴⁺离子的半径，这样，稳定剂的阳离子就能够进入工业氧化锆高温下的四方晶、立方晶体结构，使它产生不可逆转变，达到稳定其晶相的目的。

作为稳定剂的物质有氧化钙(CaO)、氧化钇(Y₂O₃)、氧化镁(MgO)、氧化锶(SrO)、氧化镧(La₂O₃)等，通常使用CaO、Y₂O₃、MgO这三种较为常见的物质，构成复合稳定剂。由于其价格适中，所以有效地降低了产品的原料成本。

对于合成的稳定氧化锆原料来讲，要有高的稳定化率、体积密度和抗热震稳定性。通过试验证明：CaO、Y₂O₃、MgO这三种稳定剂在稳定单斜氧化锆方面各有特点，分别是：CaO稳定效率最高，加入4％可以使氧化锆的稳定化率达80％，但体积密度最差，只有4.50g/cm³；Y₂O₃的效率最低，加入4％时，稳定化率只有30％，体积密度为5.20g/cm³；MgO稳定效果较为理想，加入4％时，稳定化率达到82％，体积密度为4.90g/cm³，但由于Mg⁴⁺半径较小，在受到热冲击后，Mg⁴⁺容易脱离，造成稳定化率降低。

实施例之一：

本发明在上述技术方案的基础上，兼顾不同稳定剂的优点和缺点，找到最佳的配比方案。经分析和试验，本发明提供了上述成分的比例范围：所述的复合稳定剂包括CaO、Y₂O₃，且煅烧前定径水口的原料中所含成分的质量比例为：以ZrO₂为100％，另加CaO：2％～3％、Y₂O₃：1％～2％。

实施例之二：

更具体地，所述的煅烧前定径水口的原料中所含成分的质量最佳比例为：以ZrO₂为100％，另加CaO：2.5％、Y₂O₃：1.5％。

综上所述，考虑各方面的影响因素，本发明使用了2.5％的CaO和1.5％的Y₂O₃作为复合稳定剂来稳定单斜氧化锆，可以较好地实现发明目的，并取得最理想的技术效果。

为了实现与上述技术方案相同的发明目的，本发明还提供以上所述浇注钢水用定径水口的制造工艺。

上述制造工艺所采取的技术方案为：

该制造工艺采用两步煅烧法，即在按所述比例配料、混合后，进行一次高温煅烧成为稳定ZrO₂，烧结后进行破碎并筛分，加入结合剂和电熔单斜ZrO₂，按产品形状高压成型，再进行一次煅烧完成。

由于有了完善的制造工艺的保证，使本发明的产品成分及其制造方法构成的技术方案更加完整、可靠和便于实施。

下面的实施例提供的是定径水口制造工艺的详细过程：

实施例之三：

如图1所示，更具体地，上述定径水口的制造工艺包含下列步骤：

(a)、将原料按所述比例并另外加水，进行配料；

(b)、将上述配料，加入聚乙烯球，混合搅拌，出料并筛出聚乙烯球；

(c)、烘干；

(d)、加水，混合均匀，高压成型；

(e)、烘干；

(f)、煅烧，成为稳定ZrO₂；

(g)、出窑破碎、破碎后按目数筛分分级；

(h)、将经步骤(g)筛分后的原料按筛分的分级目数配比、加入电熔单斜ZrO₂，按比例配料；

(i)、混合搅拌；

(j)、加入地板胶；

(k)、泥碾混合；

(l)、在模具中按产品形状高压成为坯型，成型后静置一天；

(m)、烘干；

(n)、煅烧，成为成品；

(o)、出窑，挑选出合格品，入库。

按照上述技术方案和具体实施例，实现了本说明书发明内容部分中提出的发明目的，克服了现有技术的缺陷和存在的问题，具有突出的实质性的特点，可以获得本说明书发明内容中介绍的有益效果，相对现有技术来说，取得了明显的技术进步，因而本发明具备了新颖性和创造性。

下面针对实施例之三所涉及的各工艺步骤的具体细节，继续通过提供优选的实施例的形式，详细介绍实施该制造工艺时所涉及的具体的技术条件、工艺设备及技术参数，供实施本发明时采用。所述的各步骤之序号，均指在实施例之三中的相应步骤之序号。

实施例之四：

在步骤(a)中，所加入的水的质量，按ZrO₂为100％计算，外加18％的水，偏差±1.5％。

在本实施例中，最佳的配料比例如下面的表1所示：

表1：合成稳定氧化锆原料配比(质量)

实施例之五：

在步骤(b)中，将步骤(a)配好的配料，放入湿式搅拌机，加入聚乙烯球，高速混合搅拌约1小时，出料并筛出聚乙烯球。

实施例之六：

在步骤(c)、步骤(e)和步骤(m)中，所述的烘干的工艺参数均为：

干燥温度：105℃～115℃；

烘干时间：23.5hr～24.5hr。

具体实施时可设定最佳的干燥温度为110℃、最佳的烘干时间为24hr。

实施例之七：

在步骤(d)中，以烘干后的原料的质量为100％，外加3％±0.5％的水(最佳值为3％)，手工混合均匀后，高压成型，成为坯体。其成型的压力为不低于250MPa，实际生产中，其成型的压力可选用250MPa即可。然后进行步骤(e)，对成型后的坯体进行烘干。

实施例之八：

在步骤(f)中，将烘干后的原料放入高温炉，煅烧的温度为大于或等于1700℃，煅烧的时间为170min～190min。其升温的速度可以不受限制。

在本实施例具体实施时，可以设定煅烧的温度为1700℃，煅烧的时间为180min。

实施例之九：

步骤(g)的工艺内容，是在经过步骤(f)获得的原料出窑后，用颚破机进行粗破，然后放入球磨机进行破碎，按60～120目、200目以下进行筛分分级。

实施例之十：

在步骤(h)中，将采用步骤(g)筛分得到的原料按比例配料；再加入目数为1200目以下的电熔单斜ZrO₂，按比例配料。

上述各成分在配比时，按质量比例为：

以ZrO₂的总质量为100％计算，包括：

60～120目的稳定ZrO₂：55％±3％；

200目以下的稳定ZrO₂：20％±2％；

1200目以下的电熔单斜ZrO₂：25％±2％；

实施本步骤(h)时，可按下面的表2进行配比：

表2：定径水口坯料的原料配比

注：地板胶在本步骤中尚未加入，待后续步骤再加入。

实施例之十一：

在步骤(i)中，对配料进行混合搅拌，即把按步骤(h)配好的料放入锥式双螺旋搅拌机中搅拌混合1hr±0.1hr，最佳搅拌混合时间为1hr。

实施例十二：

在步骤(j)中，将经过步骤(i)搅拌混合后的原料加入地板胶。所述地板胶按步骤(i)搅拌混合后的原料为100％的质量比例，外加1.5％±0.2％。

具体实施时地板胶的添加量可按上面的表2进行配比。

实施例十三：

在步骤(k)中，对加入地板胶后的配料进行泥碾混合。其方法是将其放入泥碾混合机，混合时间为45min±5min，然后出料。最佳泥碾混合时间为45min。

实施例十四：

在步骤(l)中，将经过泥碾混合的配料，放入生产定径水口的模具，使其在该模具中按定径水口的产品形状，在不低于350MPa的高压下成为坯型。实际生产中，成型压力可采用350MPa即可。成型后静置一天，自然阴干。

实施例十五：

在步骤(n)中，把压制并烘干好的半成品定径水口坯型放入高温炉，按照下面的工艺参数的进行煅烧。

其煅烧的工艺参数为：温度最高为1700℃，其升温速率在不同的温度段分别为：

室温～850℃，8℃/min；

850℃～1200℃，1.5℃/min；

1200℃～1550℃，3.5℃/min；

1550℃～1700℃，1℃/min；

上述升温速率允许偏差在10％范围内；

总煅烧时间为：768min±20min。实际生产中，最佳煅烧时间选用768min。

在具体实施本工艺步骤时，可按下面的表3规定的烧成制度进行。

表3：定径水口烧成制度

经试验验证，煅烧烧成温度可从1800℃降低至1700℃，而不影响产品使用性能。

实施例十六：

在步骤(o)中，将经过步骤(n)煅烧成成品的定径水口出窑，挑选出合格品，入库。

具体要求是：定径水口出窑后，要进行严格拣选，把有裂纹的全部剔除，水口的下口孔径与规定要求的下口径尺寸的误差不得超过±0.02，否则判定为废品。将合格的成品直接入库备用。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种浇注钢水用定径水口，以ZrO₂为主要原料，加入结合剂，经混合搅拌、压制成型并高温烧结，其特征在于：在所述的定径水口的煅烧前原料中还添加复合稳定剂，所述的复合稳定剂包括CaO、Y₂O₃、MgO，或其中的任意一种，或其中的任意两种。

2、按照权利要求1所述的浇注钢水用定径水口，其特征在于：所述的复合稳定剂包括CaO、Y₂O₃，且煅烧前定径水口的原料中所含成分的质量比例为：以ZrO₂为100％，另加CaO：2％～3％、Y₂O₃：1％～2％。

3、按照权利要求2所述的浇注钢水用定径水口，其特征在于：所述的煅烧前定径水口的原料中所含成分的质量比例为：以ZrO₂为100％，另加CaO：2.5％、Y₂O₃：1.5％。

4、按照权利要求2或3所述的浇注钢水用定径水口的制造工艺，其特征在于：该工艺采用两步煅烧法，即在按所述比例配料、混合后，进行一次高温煅烧成为稳定ZrO₂，烧结后进行破碎并筛分，加入结合剂和电熔单斜ZrO₂，按产品形状高压成型，再进行一次煅烧完成。

5、按照权利要求4所述的浇注钢水用定径水口的制造工艺，其特征在于该制造工艺的工艺步骤如下：

a)、将原料按所述比例并另外加水，进行配料；

b)、将上述配料，加入聚乙烯球，混合搅拌，出料并筛出聚乙烯球；

c)、烘干；

d)、加水，混合均匀，高压成型；

e)、烘干；

f)、煅烧，成为稳定ZrO₂；

g)、出窑破碎、破碎后按目数筛分分级；

h)、将出窑原料按筛分分级的目数配比、加入电熔单斜ZrO₂，按比例配料；

i)、混合搅拌；

j)、加入地板胶；

k)、泥碾混合；

l)、在模具中按产品形状高压成为坯型，成型后静置一天；

m)、烘干；

n)、煅烧，成为成品；

o)、出窑，挑选出合格品，入库。

6、按照权利要求5所述的浇注钢水用定径水口的制造工艺，其特征在于：在所述的步骤f)中，煅烧的温度为大于或等于1700℃，煅烧及保温时间为170min～190min。

7、按照权利要求5所述的浇注钢水用定径水口的制造工艺，其特征在于：在所述的步骤n)中，其煅烧的工艺参数为：温度最高为1700℃，其升温速率在不同的温度段分别为：

室温～850℃，8℃/min；

850℃～1200℃，1.5℃/min；

1200℃～1550℃，3.5℃/min；

1550℃～1700℃，1℃/min；

上述升温速率允许偏差在10％范围内；

总煅烧时间为：768min±20min。

8、按照权利要求5所述的浇注钢水用定径水口的制造工艺，其特征在于：在所述的步骤g)中，所述的破碎后按目数筛分分级，是按60～120目和200目以下进行筛分分级。

9、按照权利要求8所述的浇注钢水用定径水口的制造工艺，其特征在于：在所述的步骤h)中采用步骤g)中的60～120目和200目以下的原料，加入目数为1200目以下的电熔单斜ZrO₂；所述的步骤j)中加入地板胶；

上述各成分在配比时，按质量比例为：

以ZrO₂的总质量为100％计算，包括：

60～120目的稳定ZrO₂：55％±3％；

200目以下的稳定ZrO₂：20％±2％；

1200目以下的电熔单斜ZrO₂：25％±2％；

所述地板胶按上述比例，外加1.5％±0.2％。

10、按照权利要求5所述的浇注钢水用定径水口的制造工艺，其特征在于：所述的。在所述的步骤c)、步骤e)和步骤m)中，所述的烘干的工艺参数均为：

干燥温度：105℃～115℃；

烘干时间：23.5hr～24.5hr。

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