连铸用碳复合滑板、长水口、浸入式水口和整体塞棒的发展

耐火材料作为钢水的盛装容器或流通管道，与钢水直接保持接触状态。钢水不仅会冲刷耐火材料，而且会与耐火材料的各组分发生反应，对材料的结构造成不利影响。同时，随着洁净钢生成工艺的发展，耐火材料的使用环境愈加苛刻。通常，耐火材料种类不同，作用也不相同，其损毁机理也不尽相同。耐火材料对钢水质量的作用可归纳为三个方面：

(1)耐火材料在侵蚀和热震作用下引起结构变化，在钢水冲刷下进入钢水，形成夹杂；

(2)耐火材料的成分与钢水和渣相互相反应，形成夹杂；

(3)耐火材料会吸收钢水中的碳、磷等夹杂，净化钢水。

氧化物和碳素原料是碳复合耐火材料的主要组成，前者会溶于钢水，增加钢水总氧含量，后者能导致钢水增碳。

耐火材料中的氧化物会溶解或分解，导致钢液中的氧含量增加，具体反应如方程式1所示。在引入脱氧剂M的情况下，会导致脱氧产物MxOy的生成(反应2)。但是，如果脱氧产物MxOy不发生上浮，也会导致夹杂的生成。

热力学分析表明，钢液中的氣含景受耐火材料中氧化物的氧势的影响较大，其氧势越高，钢水氧含量则越高。耐火材料的氧势指数随着耐火材料由碱性-中性-酸性的变化而增大，碱性氧化物如CaO和ZrO2使钢水增氧很少，而酸性氧化物(SiO2和Cr2O3)会引起钢水增碳，不利于洁净钢冶炼。

钢水在从中间包到结晶器的过程中，不仅会与功能性碳复合耐火材料接触，而且会与BOF炉衬的MgO-C耐火材料接触，一方面在耐火材料表面生成脱碳层，另一方面增加了钢水中碳含景。根据耐火材料的材质不同，其对钢水的增碳机理也不同。镁碳耐火材料与钢水接触的初期形成脱碳层，钢水中的夹杂随后向脱碳层发生渗透和反应，生成反应层，此后发生连续的“渗透-溶解”反应过程。研究表明含8.3wt%、15.5wt%和17.9wt%天然鳞片石墨的镁碳耐火材料在冶炼IF钢时，含17.9wt%鳞片石墨的镁碳耐火材料对钢水的增碳作用最为明显，同时稳定IF钢中的碳含最所需要的时间最长。不仅镁碳耐火材料中的碳含量会对钢水中的增碳现象造成影响，而且材料自身的显微结构也能影响钢水增碳。

铝碳耐火材料是连铸系统中广泛使用的耐火材料，主要包括滑板、长水口、浸入式水口和整体塞棒等。与镁碳耐火材料对钢水的增碳机理类似，铝碳耐火材料对钢水的增碳过程也符合“渗透-瑢解-扩散”机制脱碳层在钢水和铝碳耐火材料发生接触的初期并未生成，其中的碳素原料首先溶解于钢水中。随着冶炼过程的持续推进，溶解的碳素原料含最逐渐增加，致使材料中的碳含景大幅降低，导致铝碳耐火材料表明脱碳层的生成，减少了钢水和碳素原料的直接接触面积由十钢水中的碳会发生氧化，其氧化速率大于碳索原料在钢水中的增碳速率，因此钢水中的碳含量在此后的过程中逐渐降低。此外，碳素原料的结晶完整性不同，与钢水的润湿性也会发生变化，从而导致其对钢水的增碳效果不冋。Khamia等人发现，相对于传统的天然鳞片石墨，石油焦炭由于其对钢水的润湿性较差而增碳效果较小。不仅如此，当Al2O3含量高于40wt%时，铝碳耐火材料与钢水的接触主要为Al2O3与钢水接触，碳索原料在钢水中的溶解度儿乎可以忽略，因而增碳作用不明显。锆碳耐火材料由于其抗渣侵蚀性优良，常被当作复合部件，往往使用于长水口或浸入式水口的渣线部位，大幅提高了此类材料的整体性能和使用寿命。与镁碳耐火材料和铝碳耐火材料相比，目前对锆碳耐火材料的钢水增碳机理的研究不多。与前两者相同的是，钢水与锆碳耐火材料相互接触的初始阶段出现溶解和渗透。不同之处在于，氧化锆中的稳定剂(CaO、MgO和Y203等)会与钢水中的成分反应，生成液相，造成其脱碳层大于上述两种材质。

同时，研究表明，氧化锆还会与C(s)和CO(g)反应，生成ZrC(s)和CO2(g)。此后，CO2(g)持续与材料中的碳素原料反应，导致材料中的碳含最进一步降低。事实上，钢水对ZrC(s)的润湿性优于ZrO2(s)，因此，在毛细管力作用下，钢水会经ZrC(s)进入材料中，引起钢水再次增碳。具体的反应如下所示。

综合上述介绍可知，碳复合耐火材料在与钢水接触的过程中发生脱碳现象，导致钢水中的碳含量升高，不利于洁净钢的冶炼，连铸用碳复合功能元件中含有相当含量的鳞片石墨。由于鳞片石墨具有熔点高、对熔渣和钢水不润湿、热膨胀率小、热导率高和层间滑移等特点，从而赋予了材料优异的热震稳定性和抗熔渣及钢水侵蚀性。然而，随着低碳节能理念的推广和新的冶炼需求日益发展，在满足长寿和足够热震稳定性的前提下，连铸用碳复合功能元件必然向着低碳化方向发展。

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