CN111774558A - 一种连铸用热震稳定性优良的中间包水口的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连铸用热震稳定性优良的中间包水口的制造方法，包括以下步骤：S1制备出侧壁周向具有多组弧形凸边的复合芯材；S2在复合芯材外侧壁周向加装多组竖向的合金角杆与弧形凸边数量匹配，并在合金角杆的上下端分别通过钢丝捆绑固定，得到处理后复合芯材；S3按比例选取有机单体、交联剂、引发剂、催化剂加入到锆基浆料中，混制得到水口浆料；S4将处理后复合芯材套在水口模具的芯棒上，将预制好的水口浆料倒入水口模具中，固化脱模后得到水口湿坯；S5将水口湿坯依次经干燥处理、烧结处理后得到成品中间包水口。本发明制备的中间包水口可以有效提高热震稳定性，提高其使用稳定性及使用寿命。

Description

一种连铸用热震稳定性优良的中间包水口的制造方法
技术领域
本发明涉及连铸构件生产技术领域，具体是涉及一种连铸用热震稳定性优良的中间包水口的制造方法。
背景技术
中间包是连铸工艺中用到的一个耐火材料容器，与传统的模铸相比，连铸具有提高金属收得率和降低能量消耗的优越性，而减少金属资源和能量的消耗是符合可持续发展要求的，中间包首先接收从钢包浇下来的钢水，然后再由中间包水口分配到各个结晶器中去。
中间包水口对连铸工艺有着至关重要的影响，其性能可能直接影响连铸的时间等，为了保持连铸设备的持续工作，对于中间包水口的抗热震性等有着较高的要求，中间包水口一般需具有较低的显气孔率以及较高的致密度等。
然而在现有提供的中间包水口对于较高温度合金液的连续铸造产生了一定得限制，其在进行过高熔液温度的合金液连铸制造时往往不具有长时间内芯基本保持不变的特性，同时，在导液过程中芯材受热易出现炸裂等情况，因此，现需要一种能够有效提高现有中间包水口抗热震性等性能的中间包水口制备新工艺，以扩展连铸工艺应用于更为广泛合金种类的连铸制备。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种连铸用热震稳定性优良的中间包水口的制造方法。
本发明的技术方案是：一种连铸用热震稳定性优良的中间包水口的制造方法，包括以下步骤：
S1预制复合芯材：采用粉末烧结制备出侧壁周向具有多组弧形凸边的复合芯材；
S2复合芯材处理：在复合芯材外侧壁周向加装多组竖向的合金角杆与弧形凸边数量匹配，并在合金角杆的上端、下端分别通过钢丝捆绑固定，得到处理后复合芯材备用；
S3预制水口浆料：按比例选取有机单体、交联剂、引发剂、催化剂加入到锆基浆料中，混制得到水口浆料备用；
S4初模成型：将处理后复合芯材套在水口模具的芯棒上，将预制好的水口浆料倒入水口模具中，固化脱模后得到水口湿坯；
S5水口成模：将水口湿坯经干燥处理后得到干燥初坯，再对干燥初坯烧结处理后得到成品中间包水口。
本发明采用上述工艺制备中间包水口，通过芯材与水口外部材料的分别制备，通过两者组合构成中间包水口可以有效提高中间包水口的热震稳定性，同时通过对复合芯材进行外套多组竖向的合金角杆可以有效降低中间包水口使用中的炸裂及防冲击效果，通过合金角杆作用缓解降低复合芯材急剧外扩的情况，从而提高中间包水口的使用稳定性及使用寿命。
进一步地，所述弧形凸边宽度为1mm±0.1mm，所述合金角杆夹角为45-60°，高度为5mm±0.5mm。
进一步地，所述弧形凸边、合金角杆设置个数与复合芯材外径关系满足：
d/4≤n≤d/3
其中，n为弧形凸边或合金角杆数量，d为复合芯材外径。通过上述个数设置可以满足合金角杆的使用效果的同时，不影响复合芯材与水口浆料构成的外结构的整合，从而使中间包水口使用更为稳定。
进一步地，所述复合芯材的制作包括如下步骤：
1)混粉：将重量份数94.5-97.5％的氧化锆、1.7-5.3％钨粉和0.2-0.7％脱氢乙酸钠配比混合得到混合粉，再将混合粉、氧化锆球按重量比1：1.2进行球磨混粉2-3h；
2)压制：将球磨后混合粉采用冷等静压进行压制，随后进行真空烧结，保温2h得到压制坯料；
3)熔炼制粉：在真空度达到9×10-1pa以下，开启真空感应熔炼炉使得压制坯料熔化，待到压制坯料开始熔化时，关闭真空系统，充入高纯氩气至-0.12～0.08Mpa，直到压制坯料完全熔化得到合金液，随后加入预热后中间包，通过紧耦合式喷嘴进行雾化制粉，其中，雾化气压力7～12Mpa；
4)制坯烧结：将制备好的合金粉末填装在复合芯材模具中压制成坯，随后进行真空烧结，保温2h得到复合芯材。
通过上述工艺对复合芯材制备，可以有效降低复合芯材的气孔率，同时通过上述材质构成的复合芯材热震稳定高，可以有效的提高中间包水口的使用效果，且强度及韧性更强，可有效的减缓合金液的冲蚀。
更进一步地，所述真空烧结温度为2480～2750℃，真空度须达到5×10-2pa级以下。
进一步地，所述合金角杆具体选用钨铜合金制成，且合金角杆厚度为0.5mm±0.1mm，如含铜量为40％的钨铜合金，但不限于这一种。通过合金角杆的夹装可以有效缓冲复合芯材的抗冲蚀性能，并且有效防止芯材炸裂等情况，从而提高中间包水口的抗震稳定性。
进一步地，所述水口浆料具体为：按加入量为锆基浆料总质量的4-9wt.％有机单体、0.5-1.0wt.％交联剂、3-5wt.％引发剂、0.1-0.2wt.％催化剂混合后加入锆基浆料，并将加入量为锆基浆料总质量的0.3-0.8wt.％聚丙烯酸、0.05-0.15wt.％焦磷酸钠，使用氨水调节pH至9-11，搅拌均匀得到水口浆料，
其中，所述锆基浆料按质量份数计由20-25份海绵锆粉末、30-50份陶瓷粉末、3-5份二氧化钛、100份去离子水混合而成；所述有机单体为丙烯酸胺，所述交联剂为亚甲基双丙烯酸胺，所述引发剂为过硫酸铵，所述催化剂为四甲基乙二胺。
通过上述配比制备的水口浆料，通过对锆基浆料进行配比设定，基于凝胶注模成型调配出水口浆料，从而将水口浆料与复合芯材有效组合，并且所调配的水口浆料所制成的中间包水口外结构具有较强的抗热效果，并且具有一定得耐冲特性，从而有效的配合复合芯材辅助提高其热震稳定性等，增强中间包水口的使用效果。
进一步地，所述步骤S5中干燥处理具体在恒温恒湿箱中进行，初始湿度控制在60-90％，初始温度控制在15-25℃；待干燥收缩停止后，将湿度以10％/min降低至20-40％，温度以5℃/min升高至35-70℃，保持1-2h得到干燥初坯。通过上述速率湿度调节以及温度调节，可以防止水口湿坯至干燥初坯过程中降低其气孔度等以提高其密度，从而增强水口外结构的材料性能。
进一步地，所述步骤S5中烧结处理具体为：在气氛烧结炉内为注入0.5-0.8MPa的惰性气体，在炉中300-400℃处理1-2h后，以40-50℃/min升温至1680-1750℃处理2-3h，保温1-2h。通过上述烧结处理，可以提高材料晶向组织密度，从而提高烧结后的中间包水口材料性能。
本发明的有益效果是:
(1)本发明工艺制备中间包水口，通过芯材与水口外部材料两者组合构成中间包水口可以有效提高中间包水口的热震稳定性，同时通过合金角杆作用缓解降低复合芯材急剧外扩的情况，从而提高中间包水口的使用稳定性及使用寿命。
(2)本发明通过复合芯材制备，可以有效降低复合芯材的气孔率，同时复合芯材热震稳定高，可以有效的提高中间包水口的使用效果，且强度及韧性更强，可有效的减缓合金液的冲蚀。
(3)本发明通过水口浆料的锆基浆料配比设定，所调配的水口浆料制成的中间包水口外结构具有较强的抗热效果，并且具有一定得耐冲特性，从而有效的配合复合芯材辅助提高其热震稳定性等，增强中间包水口的使用效果。
附图说明
图1是本发明复合芯材与合金角杆安装结构示意图。
图2是本发明图1的A处结构放大图。
图3是本发明具体实施例中合金角杆各角度的抗热震性曲线图。
具体实施方式
弧形凸边、合金角杆的设置数量
以制备复合芯材外径d为60mm，所述弧形凸边、合金角杆设置个数与复合芯材外径关系满足：
d/4≤n≤d/3
其中，n为弧形凸边或合金角杆数量，d为复合芯材外径；
计算得：n为15-20mm，取此区间任意整数值，以取值18mm为例对本发明方案进行具体说明。
实施例1
一种连铸用热震稳定性优良的中间包水口的制造方法，包括以下步骤：
S1预制复合芯材：如图1和2所示，采用粉末烧结制备出侧壁周向具有18组弧形凸边的复合芯材，所述弧形凸边宽度为1mm±0.1mm，复合芯材为氧化锆芯材；
S2复合芯材处理：如图1和2所示，在复合芯材外侧壁周向加装多组竖向的合金角杆与弧形凸边数量匹配，所述合金角杆具体选用含铜量为40％的钨铜合金制成，且合金角杆厚度为0.5mm±0.1mm，所述合金角杆夹角为55°，高度为5mm，并在合金角杆的上端、下端分别通过钢丝捆绑固定，捆扎力度以固定合金角杆不上下滑动即可，得到处理后复合芯材备用；
S3预制水口浆料：按加入量为锆基浆料总质量的8wt.％有机单体、0.8wt.％交联剂、4wt.％引发剂、0.17wt.％催化剂混合后加入锆基浆料，并将加入量为锆基浆料总质量的0.7wt.％聚丙烯酸、0.12wt.％焦磷酸钠，使用氨水调节pH至10，搅拌均匀得到水口浆料，
其中，所述锆基浆料按质量份数计由23份海绵锆粉末、47份陶瓷粉末、4份二氧化钛、100份去离子水混合而成；所述有机单体为丙烯酸胺，所述交联剂为亚甲基双丙烯酸胺，所述引发剂为过硫酸铵，所述催化剂为四甲基乙二胺，混制得到水口浆料备用；
S4初模成型：将处理后复合芯材套在水口模具的芯棒上，将预制好的水口浆料倒入水口模具中，固化脱模后得到水口湿坯；
S5水口成模：将水口湿坯放置在恒温恒湿箱中进行，初始湿度控制在80％，初始温度控制在20℃；待干燥收缩停止后，将湿度以10％/min降低至30％，温度以5℃/min升高至65℃，保持1.5h得到干燥初坯，再将干燥初坯放置在气氛烧结炉中，并注入0.7MPa的惰性气体，在炉中370℃处理1.5h后，以45℃/min升温至1730℃处理2.5h，保温1.5h，后得到成品中间包水口。
实施例2
本实施例与实施例1相比，中间包水口所使用的复合芯材不同，具体为：所述复合芯材的制作包括如下步骤：
1)混粉：将重量份数96.7％的氧化锆、2.9％钨粉和0.4％脱氢乙酸钠配比混合得到混合粉，再将混合粉、氧化锆球按重量比1：1.2进行球磨混粉2.5h；
2)压制：将球磨后混合粉采用冷等静压进行压制，随后进行真空烧结，保温2h得到压制坯料；
3)熔炼制粉：在真空度达到9×10-1pa以下，开启真空感应熔炼炉使得压制坯料熔化，待到压制坯料开始熔化时，关闭真空系统，充入高纯氩气至0.02Mpa，直到压制坯料完全熔化得到合金液，随后加入预热后中间包，通过紧耦合式喷嘴进行雾化制粉，其中，雾化气压力10Mpa；
4)制坯烧结：将制备好的合金粉末填装在复合芯材模具中压制成坯，随后进行真空烧结，真空烧结温度为2730℃，真空度须达到5×10-2pa级以下，保温2h得到复合芯材。
实施例3
本实施例与实施例2相比，复合芯材配比不同，具体为：将重量份数94.5％的氧化锆、5.3％钨粉和0.2％脱氢乙酸钠配比混合得到混合粉，再将混合粉、氧化锆球按重量比1：1.2进行球磨混粉2.5h。
实施例4
本实施例与实施例2相比，复合芯材配比不同，具体为：将重量份数97.5％的氧化锆、1.7％钨粉和0.7％脱氢乙酸钠配比混合得到混合粉，再将混合粉、氧化锆球按重量比1：1.2进行球磨混粉2.5h。
实施例5
本实施例与实施例1相比，烧结处理工艺参数的不同，具体为：所述步骤S5中烧结处理具体为：在气氛烧结炉内为注入0.7MPa的惰性气体，在炉中400℃处理1.5h后，以40℃/min升温至1730℃处理2.5h，保温1.5h。
实施例6
本实施例与实施例1相比，烧结处理工艺参数的不同，具体为：所述步骤S5中烧结处理具体为：在气氛烧结炉内为注入0.7MPa的惰性气体，在炉中300℃处理1.5h后，以50℃/min升温至1730℃处理2.5h，保温1.5h。
实施例7
本实施例与实施例1相比，水口浆料中锆基浆料配比不同，具体为：所述锆基浆料按质量份数计由20份海绵锆粉末、30份陶瓷粉末、3份二氧化钛、100份去离子水混合而成。
实施例8
本实施例与实施例1相比，水口浆料中锆基浆料配比不同，具体为：所述锆基浆料按质量份数计由25份海绵锆粉末、50份陶瓷粉末、5份二氧化钛、100份去离子水混合而成。
中间包水口性能试验
一、试验组别
分别根据上述实施例1-8制备中间包水口，并对所制备的各个中间包水口样品进行相关试验，具体如下：
中间包水口体积密度：使用北京仪特诺ET系列通用型固体密度仪对各个中间包水口样品的体积密度进行测定，具体结果如下表1所示：
表1中间包水口样品体积密度测定表
Figure BDA0002548053450000081
中间包水口热震炸裂比例：采用水急冷法对各个中间包水口样品进行20-1000℃的急冷急热，经过10次循环后，探测各个中间包水口的质量损失，具体如下表2所示：
表2中间包水口样品抗热震性测定表
Figure BDA0002548053450000082
中间包水口显气孔率：对各个中间包水口样品进行显气孔率进行测定，结果具体如下表3所示：
表3中间包水口样品显气孔率测定表
Figure BDA0002548053450000091
采用市售加装氧化锆芯材的中间包水口其规格为：体积密度为5.60g/cm3、抗热震性的质量损失为21％、显气孔率为8.47％，与上述各试验样品进行比对；
同时对上述合金角杆的不同夹角进行了抗热震性测定，以45°、50°、55°、60°梯度分别测定其抗热震性性能，并绘制抗热震性曲线图，具体如图3所示。
二、试验结论
1)由表1数据对比可知，实施例1-8均相对于现有中间包水口体积密度略高，实施例2-4与实施例1相比其体积密度影响较小，故此，对于复合芯材的材质或配比不同对中间包水口的整体结构影响较小；实施例5-6与实施例1相比对中间包水口外结构烧结升温速度进行了不同探究，结果表明，对中间包水口的体积密度有着一定得影响，其中实施例1所采用的升温速率所制备的中间包水口体积密度最高；实施例7-8与实施例1相比对水口浆料的配比不同进行了探究，结果表明，对中间包水口的体积密度影响较大，其中实施例1所采用的水口浆料配比所制备的中间包水口体积密度最高。
2)由表2数据对比可知，实施例1-8均相对于现有中间包水口质量损失小，抗热震性好，实施例2-4与实施例1相比其质量损失影响较大，故此，对于复合芯材的材质或配比不同对中间包水口的整体的抗热震性影响较大，其中以实施例2的中间包水口抗热震性最优；实施例5-6与实施例1相比对中间包水口外结构烧结升温速度进行了不同探究，结果表明，对中间包水口的质量损失有着一定得影响，其中实施例1所采用的升温速率所制备的中间包水口抗热震性最优；实施例7-8与实施例1相比对水口浆料的配比不同进行了探究，结果表明，对中间包水口的质量损失影响较大，其中实施例1所采用的水口浆料配比所制备的中间包水口抗热震性最优。
3)由表3数据对比可知，实施例1-8均相对于现有中间包水口显气孔率低，实施例2-4与实施例1相比其显气孔率有着一定得影响，故此，对于复合芯材的材质或配比不同对中间包水口的显气孔率影响较大，其中以实施例2的中间包水口显气孔率最低；实施例5-6与实施例1相比对中间包水口外结构烧结升温速度进行了不同探究，结果表明，对中间包水口的显气孔率有着一定得影响，其中实施例1所采用的升温速率所制备的中间包水口显气孔率最低；实施例7-8与实施例1相比对水口浆料的配比不同进行了探究，结果表明，对中间包水口的显气孔率有着一定得影响，其中实施例1所采用的水口浆料配比所制备的中间包水口显气孔率最低。
4)由图3可知，合金角杆在55°之前抗热震性的质量损失在不断下降，在55°之后抗热震性的质量损失又出现上升趋势，由此可见，合金角杆的夹角在55°左右是使用效果最优的选择。

Claims (9)

1.一种连铸用热震稳定性优良的中间包水口的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1预制复合芯材：采用粉末烧结制备出侧壁周向具有多组弧形凸边的复合芯材；
S2复合芯材处理：在复合芯材外侧壁周向加装多组竖向的合金角杆与弧形凸边数量匹配，并在合金角杆的上端、下端分别通过钢丝捆绑固定，得到处理后复合芯材备用；
S3预制水口浆料：按比例选取有机单体、交联剂、引发剂、催化剂加入到锆基浆料中，混制得到水口浆料备用；
S4初模成型：将处理后复合芯材套在水口模具的芯棒上，将预制好的水口浆料倒入水口模具中，固化脱模后得到水口湿坯；
S5水口成模：将水口湿坯经干燥处理后得到干燥初坯，再对干燥初坯烧结处理后得到成品中间包水口。
2.如权利要求1所述的一种连铸用热震稳定性优良的中间包水口的制造方法，其特征在于，所述弧形凸边宽度为1mm±0.1mm，所述合金角杆夹角为45-60°，高度为5mm±0.5mm。
3.如权利要求1所述的一种连铸用热震稳定性优良的中间包水口的制造方法，其特征在于，所述弧形凸边、合金角杆设置个数与复合芯材外径关系满足：
d/4≤n≤d/3
其中，n为弧形凸边或合金角杆数量，d为复合芯材外径。
4.如权利要求1所述的一种连铸用热震稳定性优良的中间包水口的制造方法，其特征在于，所述复合芯材的制作包括如下步骤：
1)混粉：将重量份数94.5-97.5％的氧化锆、1.7-5.3％钨粉和0.2-0.7％脱氢乙酸钠配比混合得到混合粉，再将混合粉、氧化锆球按重量比1：1.2进行球磨混粉2-3h；
2)压制：将球磨后混合粉采用冷等静压进行压制，随后进行真空烧结，保温2h得到压制坯料；
3)熔炼制粉：在真空度达到9×10-1pa以下，开启真空感应熔炼炉使得压制坯料熔化，待到压制坯料开始熔化时，关闭真空系统，充入高纯氩气至-0.12～0.08Mpa，直到压制坯料完全熔化得到合金液，随后加入预热后中间包，通过紧耦合式喷嘴进行雾化制粉，其中，雾化气压力7～12Mpa；
4)制坯烧结：将制备好的合金粉末填装在复合芯材模具中压制成坯，随后进行真空烧结，保温2h得到复合芯材。
5.如权利要求4所述的一种连铸用热震稳定性优良的中间包水口的制造方法，其特征在于，所述真空烧结温度为2480～2750℃，真空度须达到5×10-2pa级以下。
6.如权利要求1所述的一种连铸用热震稳定性优良的中间包水口的制造方法，其特征在于，所述合金角杆具体选用钨铜合金制成，且合金角杆厚度为0.5mm±0.1mm。
7.如权利要求1所述的一种连铸用热震稳定性优良的中间包水口的制造方法，其特征在于，所述水口浆料具体为：按加入量为锆基浆料总质量的4-9wt.％有机单体、0.5-1.0wt.％交联剂、3-5wt.％引发剂、0.1-0.2wt.％催化剂混合后加入锆基浆料，并将加入量为锆基浆料总质量的0.3-0.8wt.％聚丙烯酸、0.05-0.15wt.％焦磷酸钠，使用氨水调节pH至9-11，搅拌均匀得到水口浆料，
其中，所述锆基浆料按质量份数计由20-25份海绵锆粉末、30-50份陶瓷粉末、3-5份二氧化钛、100份去离子水混合而成；所述有机单体为丙烯酸胺，所述交联剂为亚甲基双丙烯酸胺，所述引发剂为过硫酸铵，所述催化剂为四甲基乙二胺。
8.如权利要求1所述的一种连铸用热震稳定性优良的中间包水口的制造方法，其特征在于，所述合金角杆夹角为45-60°，高度为5mm±0.5mm，合金角杆厚度为0.5mm±0.1mm。
9.如权利要求1所述的一种连铸用热震稳定性优良的中间包水口的制造方法，其特征在于，所述步骤S5中烧结处理具体为：在气氛烧结炉内为注入0.5-0.8MPa的惰性气体，在炉中300-400℃处理1-2h后，以40-50℃/min升温至1680-1750℃处理2-3h，保温1-2h。
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