CN102941327B - 柔性连铸水口及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种柔性连铸水口及其制造方法，属于冶金技术领域。该水口包括：由耐火材料形成的内层，由耐火材料形成的外层，以及设置于所述内层和所述外层之间、由纤维状材料或混有所述纤维状材料的所述耐火材料形成的中间层。通过在水口中形成纤维材料中间层，可使水口具有一定的柔性，能够抵抗冲击、震动等机械外力，防止裂纹形成和脆断，并可以在一定程度上降低烘烤温度和时间，延长水口的使用次数和寿命。另外，制造方法简单，而且可以制造具有一定形状的水口。
Description
技术领域
本发明涉及一种水口，具体涉及一种柔性连铸水口及其制造方法，属于冶金技术领域。
背景技术
水口主要采用镁质、高铝质、氧化锆质等耐火材料，经过高温烧结而成。在连铸过程中，无论是浸入式水口、大包长水口还是其他形式的水口，都会受到钢水的冲刷，关联设施的机械振动以及内外表面温度不同而产生的热应力。这些外在因素，对于没有柔性、脆性大、抗震性能差的耐火材料来说，容易生成裂纹，甚至会产生脆断现象，严重影响连铸过程的安全生产。
为了改善水口的使用性能，许多专利中也提到了相应的方法：申请号为98244314.5的专利提出一种由上下结构体构成的连铸复合水口，且在结构体连接处设置固定套组合，可提高水口的抗震性能，但制造过程较为复杂；申请号为200520101697.8的专利提出一种防炸裂的连铸中间包上水口，主要方法是在上水口体中上部有钢片抱箍；但此法只提高了水口局部区域的强度；而有更多的专利关注于开水口等形状的设计，例如申请号为03211455.9的专利、申请号为200810026285.0的专利、申请号为20100530950.2的专利等，均对水口的开关等方面做出了要求，这些改进对水口的强度提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种柔性连铸水口，该水口的使用寿命得到提高，碰撞不会断裂，具有柔软性。
本发明的另一目的在于提供上述柔性连铸水口的制造方法。
本发明提供的柔性连铸水口，包括：由耐火材料形成的内层，由耐火材料形成的外层，以及设置于所述内层和所述外层之间、由纤维状材料或混有所述纤维状材料的所述耐火材料形成的中间层。
优选地，所述耐火材料为镁质、高铝质、氧化锆质耐火材料中的一种或多种；所述纤维状材料为陶瓷纤维和/或碳纤维材料。
优选地，所述纤维状材料的体积占所述水口总原料体积的3-8%。
优选地，当所述中间层由混有所述纤维状材料的所述耐火材料形成时，所述中间层中的所述纤维状材料与所述耐火材料的体积比为1-7:1。
优选地，所述耐火材料为粉状、球状或块状耐火材料。
上述柔性连铸水口的制造方法，包括如下操作步骤：
步骤一，配料：分别取形成内层和外层的耐火材料的原材料，并向耐火材料的原材料中加入结合剂进行混料，从而获得内层生坯料和外层生坯料；将纤维状材料编织成带状、条状或布状作为中间层坯料，或者将所述纤维状材料与耐火材料的原材料混合形成中间层坯料；
步骤二，在成型模具中进行布料：首先均匀铺设步骤一获得的所述内层生坯料；然后将所述中间层坯料覆盖于所述内层生坯料上；最后再将步骤一得到的所述外层生坯料均匀覆盖于所述中间层坯料上；
步骤三，布料完毕后进行等静压，得到所述连铸水口的生坯；
步骤四，将所述生坯干燥、浸油、磨制后，高温烧制成水口。
优选地，所述等静压的压力是100-200MPa，保压时间为20-120秒。
优选地，所述生坯干燥的温度为350-400℃，时间为10-30小时。
优选地，所述高温烧制的温度为1200-1600℃，烧制时间为2-4小时。
优选地，所述高温烧制的气氛为有碳粒保护的还原气氛，或者氮气、惰性气体保护的弱氧化气氛。
本发明的有益效果：通过在水口中形成纤维材料中间层，可使水口具有一定的柔性，能够抵抗冲击、震动等机械外力，防止裂纹形成和脆断，并可以在一定程度上降低烘烤温度和时间，延长水口的使用次数和寿命。另外，制造方法简单，而且可以制造具有一定形状的水口。
附图说明
图1是本发明柔性连铸水口的横截面图。
其中，附图标记说明如下：1－内层，2－中间层，3－外层
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明，但本发明并不限于此。
本发明提供的柔性连铸水口，由耐火材料形成的内层，由耐火材料形成的外层，以及设置于所述内层和所述外层之间、由纤维状材料或混有所述纤维状材料的耐火材料形成的中间层构成。
所述耐火材料为本领域连铸水口用常规耐火材料，优选为镁质、高铝质、氧化锆质耐火材料中的一种或多种；所述纤维状材料是耐火的，优选为陶瓷纤维和/或碳纤维材料。
作为形成所述内外层的耐火材料，优选为粉状、球状或块状耐火材料。
作为形成所述中间层的纤维状材料，更优选为陶瓷纤维，其成本较低。
本发明的镁质耐火材料可以是方镁石为主晶相、氧化镁含量在80%以上的耐火材料。
本发明的高铝质耐火材料可以是Al2O3含量大于80%的莫来石刚玉质或刚玉莫来石质滑板砖，或Al2O3含量大于95%的电熔刚玉或烧结刚玉。
本发明的氧化锆质耐火材料可以是ZrO2含量为60%~95%的锆英石，或氧化锆。
本发明的陶瓷纤维材料优选为晶体纤维材料，包括多晶质莫来石纤维、多晶质氧化铝纤维、多晶质氧化锆纤维。
本发明的碳纤维材料优选为碳含量大于99%的石墨纤维。
本发明选择纤维状材料或混有纤维状材料的耐火材料形成中间层，优选纤维状材料的体积占水口体积的3-8%。当所述中间层由混有纤维状材料的耐火材料形成时，所述中间层中的纤维状材料与耐火材料的体积比为1-7:1。选择陶瓷纤维和/或碳纤维材料作为中间层的原因如下：这些纤维材料不仅具有一定的弹性和抗拉强度、耐冲击，同时具有较高的承受高温能力。根据组分的不同，陶瓷纤维抗拉强度为0.04-0.08MPa，可应用于1400-1650℃的环境中；高强度的碳纤维抗拉强度大于2000MPa，碳纤维中的石墨纤维在无氧下可耐3500℃的高温。由于加入的纤维材料位于水口中间层，所以可以满足温度的要求。另外，上述纤维材料多应用于复合材料，同常用耐火材料具有良好的结合能力，利于获得柔性水口。
上述内外层使用的耐火材料可以是镁质、高铝质、氧化锆质中的一种或多种。为了达到不同的性能要求，内外层的用料可以为不同混合比例的耐火材料；水口上段、渣线段、下段等可以为不同的材质；生产的水口可以采取不同的结构形式。
另外，本申请中使用的纤维状材料可以是多尺度、多形态的纤维制品。例如可以为短纤维、细纤维、也可以为长纤维、粗纤维。纤维状材料可以通过混料的方式与形成内外层的耐火材料混合以形成中间层坯料。另外，由于纤维的强度受到截面和复合结构的影响，最优的使用方法是将一定尺寸和截面形状的纤维材料通过编织，形成编织带、编织条、编织布。将具有交错结构的纤维带、纤维条、纤维布按照布料顺序加入到内层原料和外层原料之间。
为了制造本发明的水口，通常需要加入结合剂、烧结助剂等其他材料。所述结合剂可以是常见的沥青、焦油或者酚醛树脂，所述烧结助剂可以是CaO、MgO等。
本发明提供的上述柔性连铸水口的制造方法，包括配料、布料、压制成型、干燥、浸油、磨制、高温烧制等工序。主要步骤如下：
步骤一，配料：分别取形成内层和外层的耐火材料的原材料，并向耐火材料的原材料中加入结合剂进行混料，从而获得内层生坯料和外层生坯料；将纤维状材料编织成带状、条状或布状作为中间层坯料，或者将所述纤维状材料与耐火材料的原材料混合形成中间层坯料；
步骤二，在成型模具中进行布料：首先均匀铺设步骤一获得的所述内层生坯料；然后将所述中间层坯料覆盖于所述内层生坯料上；最后再将步骤一得到的所述外层生坯料均匀覆盖于所述中间层坯料上；
步骤三，布料完毕后进行等静压，得到所述连铸水口的生坯；
步骤四，将所述生坯干燥、浸油、磨制后，高温烧制成水口。
众所周知，为了在较低的烧制温度下获得致密的水口材料，应尽可能选择较为细小的粉料作为内外层耐火材料的原材料。另外布料是非常关键的工序，即将细小纤维、纤维带、纤维布等纤维材料布置在两层耐火材料之间。压制成型的压力和高温烧制的温度应与配料成分相适应，尽量做到在不损害或降低纤维材料性能的条件下进行。
所述等静压可以为冷等静压或热等静压，其压力可以是100-200MPa，保压时间可以为20-120秒。
所述生坯干燥的温度可以为350-400℃，时间为10-30小时。
所述高温烧制的温度为1200-1600℃，烧制时间为2-4小时；气氛为有碳粒保护的还原气氛，或者氮气气氛，或者惰性气体保护的弱氧化气氛。
实施例1：浸入式水口及其制造方法
本实施例制作的浸入式水口内层体积和外层体积相等，水口上段、渣线段、下段等各段的材质相同，水口内外层耐火材料的材质相同，中间层为石墨纤维布。水口所用原料配比如表1所示。
表1 浸入式水口所用原材料及比例
| 材质 | 各材质占原料总体积的比例（%） |
| 3~5mm刚玉 | 20 |
| 1~3mm刚玉 | 15 |
| 0.1~1mm刚玉 | 15 |
| <0.1mm刚玉 | 15 |
| 鳞片状石墨 | 5 |
| 0.5~2mm锆莫来石 | 15 |
| 石墨纤维布 | 5 |
| 酚醛树脂 | 6 |
| 烧结助剂MgO | 4 |
水口的制造方法：
步骤一，配料：按照表1中的体积比，将内层和外层耐火材料的原材料刚玉、锆莫来石、鳞片状石墨混合，然后向其中添加酚醛树脂和烧结助剂并进行混料，从而得到内层和外层的生坯料；中间层材料为石墨纤维布。
步骤二，在成型模具中进行布料：首先均匀铺设步骤一获得的内层生坯料；然后将石墨纤维布覆盖于所述内层生坯料上；最后再将步骤一得到的外层生坯料均匀覆盖于石墨纤维布上；
步骤三，布料完毕后进行冷等静压，得到所述浸入式水口的生坯，其中，压力为130MPa，保压时间为40秒；
步骤四，将所述连铸水口的生坯于400℃干燥10小时后，浸油、磨制，最后在氮气保护气氛下于1500℃高温烧制3小时得到本发明浸入式水口。
本发明的浸入式水口烘烤温度为950℃，时间为30分钟，使用寿命为11炉次，而未设置中间耐火纤维层的现有水口的烘烤温度为1000℃，时间为70分钟，使用寿命为6炉次。
实施例2：大包长水口及其制造方法
制作的浸入工水口内层体积和外层体积相等，水口上段、渣线段、下段等各段的材质相同，水口内外层耐火材料的材质相同，中间层为石墨纤维布。水口所用原料配比如表2所示。
表2 大包长水口所用原材料及比例
| 材质 | 各材质占原料总体积的比例（%） |
| 3~5mm刚玉 | 15 |
| 1~3mm刚玉 | 10 |
| 0.1~1mm刚玉 | 10 |
| 1~3mm熔融石英 | 10 |
| 鳞片状石墨 | 20 |
| 0.5~2mm锆莫来石 | 15 |
| <0.1mm氧化铬 | 5 |
| 石墨纤维布 | 5 |
| 酚醛树脂 | 6 |
| 烧结助剂MgO | 4 |
水口的制造方法：
步骤一，配料：按照表2中的体积比，将内层和外层耐火材料的原材料刚玉、锆莫来石、熔融石英、鳞片状石墨、氧化铬混合，然后向其中添加酚醛树脂结合剂和烧结助剂并进行混料，从而得到内层和外层的生坯料；中间层材料为石墨纤维布。
步骤二，在成型模具中进行布料：首先均匀铺设步骤一获得的内层生坯料；然后将石墨纤维布覆盖于内层生坯料上；最后再将步骤一得到的外层生坯料均匀覆盖于石墨纤维布上；
步骤三，布料完毕后进行冷等静压，压力为130MPa，保压时间为40秒，从而得到所述大包长水口的生坯；
步骤四，将所述生坯于400℃干燥10小时后，浸入焦油，进行磨制，最后在氮气保护气氛下于1200℃烧制3小时得到本发明大包长水口。
本发明的大包长水口烘烤温度为950℃，使用寿命为9炉次，而未设置中间耐火纤维层的水口烘烤温度为1000℃的使用寿命为6炉次。
实施例3 大包长水口及其制造方法
制作的浸入工水口内层体积和外层体积相等，水口上段、渣线段、下段等各段的材质相同，水口内外层耐火材料的材质相同，中间层为石墨细纤维与内外层使用的耐火材料的混合物，石墨细纤维与内外层使用的耐火材料原材料的体积比为1∶1。水口所用原料配比如表3所示。
表3 大包长水口所用原材料及比例
| 材质 | 各材质占原料总体积的比例（%） |
| 3~5mm刚玉 | 15 |
| 1~3mm刚玉 | 10 |
| 0.1~1mm刚玉 | 10 |
| 1~3mm熔融石英 | 10 |
| 鳞片状石墨 | 20 |
| 0.5~2mm锆莫来石 | 15 |
| <0.1mm氧化铬 | 5 |
| 石墨细纤维 | 5 |
| 酚醛树脂 | 6 |
| 烧结助剂MgO | 4 |
水口的制造方法：
步骤一，配料：按照表2中的体积比，将内层和外层耐火材料的原材料刚玉、锆莫来石、熔融石英、鳞片状石墨、氧化铬混合，然后向其中添加酚醛树脂结合剂和烧结助剂并进行混料，然后取出与石墨细纤维体积相同的上述混料并将其与石墨细纤维混合从而得到中间层坯料，其余的混料为内外层生坯料。
步骤二，在成型模具中进行布料：首先均匀铺设步骤一获得的内层生坯料；然后将中间层坯料覆盖于内层生坯料上；最后再将步骤一得到的外层生坯料均匀覆盖于中间层坯料上；
步骤三，布料完毕后进行冷等静压，压力为130MPa，时间为40秒，从而得到所述大包长水口的生坯；
步骤四，将所述生坯于400℃干燥10小时后，浸入焦油，进行磨制，最后在氮气保护气氛下于1200℃烧制3小时得到本发明大包长水口。
本发明的大包长水口烘烤温度为950℃，使用寿命为9炉次，而未设置中间耐火纤维层的水口烘烤温度为1000℃的使用寿命为6炉次。
Claims (8)
1.一种柔性连铸水口，其特征在于，包括：由耐火材料形成的内层，由耐火材料形成的外层，以及设置于所述内层和所述外层之间、由纤维状材料或混有所述纤维状材料的所述耐火材料形成的中间层，
当所述中间层由所述纤维状材料形成时，所述纤维状材料编织成带状或条状，所述纤维状材料的体积占所述水口总原料体积的3-8％；
当所述中间层由混有所述纤维状材料的所述耐火材料形成时，所述中间层中的所述纤维状材料与所述耐火材料的体积比为1-7:1。
2.根据权利要求1所述的柔性连铸水口，其特征在于，
所述耐火材料为镁质、高铝质、氧化锆质耐火材料中的一种或多种；所述纤维状材料为陶瓷纤维和/或碳纤维材料。
3.根据权利要求1所述的柔性连铸水口，其特征在于，
所述耐火材料为粉状、球状或块状耐火材料。
4.权利要求1-3任一所述的柔性连铸水口的制造方法，其特征在于，包括如下操作步骤：
步骤一，配料：分别取形成内层和外层的耐火材料的原材料，并向耐火材料的原材料中加入结合剂进行混料，从而获得内层生坯料和外层生坯料；将纤维状材料编织成带状或条状作为中间层坯料，或者将所述纤维状材料与耐火材料的原材料混合形成中间层坯料；
步骤二，在成型模具中进行布料：首先均匀铺设步骤一获得的所述内层生坯料；然后将所述中间层坯料覆盖于所述内层生坯料上；最后再将步骤一得到的所述外层生坯料均匀覆盖于所述中间层坯料上；
步骤三，布料完毕后进行热等静压，得到所述连铸水口的生坯；
步骤四，将所述生坯干燥、浸油、磨制后，高温烧制成水口。
5.根据权利要求4所述的柔性连铸水口的制造方法，其特征在于，
所述热等静压的压力是100-200MPa，保压时间为20-120秒。
6.根据权利要求4所述的柔性连铸水口的制造方法，其特征在于，
所述生坯干燥的温度为350-400℃，时间为10-30小时。
7.根据权利要求4所述的柔性连铸水口的制造方法，其特征在于，
所述高温烧制的温度为1200-1600℃，烧制时间为2-4小时。
8.根据权利要求4所述的柔性连铸水口的制造方法，其特征在于，
所述高温烧制的气氛为有碳粒保护的还原气氛，或者氮气、惰性气体保护的弱氧化气氛。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |