一种长寿命定径水口的制作方法
技术领域
本发明涉及钢连续铸造技术领域，特别是涉及一种长寿命定径水口的制作方法。
背景技术
钢水连续铸造时，钢水通过中间包定径水口流入结晶器，冷却成钢坯被牵引机拉走，同时钢水不断地通过中间包水口流入结晶器。在此过程中，中间包定径水口的内径的大小决定了钢水流入结晶器的速度，为了保持连铸机连续工作，要求中间包定径水口芯的内径在尽可能长的时间内（通常6小时以上）基本上保持不变，即，需要水口芯具有抗钢水冲蚀的性能。另一方面，钢水通过中间包定径水口芯时，由于钢水温度很高（一般1600℃以上），会使得水口芯产生瞬间膨胀，进而产生很大的张应力，经常导致水口芯炸裂。目前现有技术而言，中间包定径水口芯用氧化锆材料制成。若需要提高定径水口氧化锆芯的耐钢水冲蚀性能就必须提高其体积密度，降低气孔率。但另一方面，当水口芯的气孔率降低后，受热膨胀时由于没有足够的空间容纳产生的膨胀，导致水口芯的热震抗力下降，即，水口氧化锆芯的耐钢水冲蚀性能与抗热震性能是相互矛盾的性能要求。尽管氧化锆是耐火陶瓷材料中韧性最高的材料，具有较强的抗热震开裂的能力，但在实际使用过程中，氧化锆水口芯仍然经常发生热震炸裂，影响正常的连铸生产。
专利ZL201510100592.9提出了提高氧化锆水口芯的致密度的同时，通过增加预应力环的方案来提升钢连铸用水口的使用寿命。技术方法为，对氧化锆水口芯进行精密磨削加工至一定的设计尺寸，再将与之配套的钢环机加工后预热至700±10℃后迅速与氧化锆水口芯组装，冷却后实现过盈配合，在氧化锆水口芯中实现预先残余压应力，抵消部分与钢水接触产生的瞬间张应力，防止氧化锆水口芯在触碰到钢液后瞬间炸裂，另一方面氧化锆水口密度得到了提高，最终实现水口寿命的提升。但，对氧化锆水口芯进行磨削加工，以及对钢环进行机械加工和最终加热装配的过程复杂，机加工要求较高，导致效率较低，成本很高；另外，这种技术获得的预应力值不太高，产品实际使用时仍然有少量的炸裂发生。
鉴于上述目前钢水连铸领域存在的问题，需要开发一种长寿命，低成本的定径水口产品。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种长寿命定径水口的制作方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种长寿命定径水口制作方法，长寿命定径水口由铁壳套、水口填充料、氧化锆水口芯以及氧化锆水口芯上的预应力环组成，其特征在于包括如下制作步骤：
（1）制备体积密度达到5.63~5.73g/cm3的氧化锆水口芯；
（2）用铸造的方法，在上述氧化锆水口芯周围原位制作多个低碳钢或球墨铸铁材质的预应力环；
（3）将上述装配有预应力环的氧化锆水口芯与铁壳套和水口填充料一起压制成定径水口；
（4）将上述定径水口的上端面用砂轮打磨光滑，得到长寿命定径水口成品。
方案中所述氧化锆水口芯按如下步骤制得：
第一步，将电容氧化钙稳定氧化锆球磨至30~40目，氧化钙含量为2~2.5%；
第二步，将电容氧化镁稳定氧化锆球磨至120~150目，氧化镁含量为2~2.5%；
第三步，将99.9%纯度的氧化锆与2~2.5%重量分数的氧化钇共混球磨至500~800目；
第四步，取第三步得到的粉体继续球磨至5000目以下；
第五步，按重量比取第一步得到的氧化锆颗粒2.5~3份，取第二步得到的粉体2~2.5份，取第三步得到的粉体3~4份，取第四步得到的粉体2.5~3.5份，混合均匀并用聚乙二醇造粒，然后压制成水口芯的素胚，在110℃烘干后置于1705±15℃的温度下烧结8~10小时，得到氧化锆水口芯烧结成品。
方案中所述氧化锆水口芯周围的预应力环采用原位浇铸成型的方法制作，其具体步骤为：
a，根据带有预应力环的氧化锆水口芯的尺寸制作造型模具；
b，将烧结好的氧化锆水口芯安装于a步骤制作的造型模具的型腔之中；
c，利用熔融的低碳钢钢水或球化处理的铁水浇铸填充型腔；
d，冷却凝固后去除浇冒口，得到带有预应力环的氧化锆水口芯。
方案中所述预应力环的宽度为5~15mm，厚度为4~10mm。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、通过精细的颗粒级配设计，将定径水口的氧化锆芯体积密度从常规的5.1~5.3 g/cm3提高到了5.63~5.73g/cm3，致密度的增加可大幅度提升氧化锆水口芯的耐钢水冲刷寿命；
2、部分稳定电容氧化锆是将氧化锆与稳定剂一起熔化后冷却凝固得到的结晶完全的部分稳定氧化锆晶体，其晶粒较大、结晶完整、晶界缺陷少，耐钢水冲刷侵蚀能力强，这种粗颗粒电容氧化锆的加入进一步提升了最终氧化锆水口芯的耐钢水冲刷侵蚀的寿命；与此同时，粗颗粒的加入，大幅度减少了细粉用量，从而降低了氧化锆水口芯高温烧结过程中的收缩率，有效抑制了产品烧结过程中的变形和开裂，提高了烧结成品率；
3、通过原位铸造成型的方法，在烧结好的氧化锆水口芯周围原位制作预应力环，如图1所示，这不但最大限度地利用了预应力环凝固及冷却收缩产生的对氧化锆水口芯的预先压应力，提高了预应力值，在使用过程中抵消了钢水瞬间高温产生的张应力，从而避免了这种瞬间张应力导致水口芯开裂，大幅度提升了氧化锆水口芯抗热震能力；另一方面，解决了机加工及预热装配的预应力环传统安装技术的效率低下，成本高昂的问题。另外，与实际使用过程中被大量高温钢水连续冲刷不同，在预应力环浇铸过程中，虽然氧化锆水口芯也接触到了高温钢水或铁水，但是由于钢水量非常少，并能很快降温凝固，因此，不会导致氧化锆水口芯显著的受热膨胀和热震炸裂，实践过程也证明了这一点。
4、通过浇铸系统的设计，可以一次浇铸几十只产品，相对于专利ZL201510100592.9中提出的一只一只地装配预应力环的技术，效率提高了几十倍。
综合上述效果，本发明所述的定径水口寿命相比常规产品大幅提高。
附图说明
图1为预应力环原位成型示意图。
附图标志为：1-型砂；2-浇铸通道；3-预应力环型腔；4-氧化锆水口芯。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明进一步说明。
实施例1
（1）制备氧化锆水口芯：
按重量比称取30目氧化钙含量为2.5%wt的电容氧化锆颗粒3份，120目氧化镁含量为2.5%wt的氧化锆粉2.5份，500目的99.9%高纯氧化锆与2%氧化钇共磨粉3份，5000目的99.9%高纯氧化锆与2%氧化钇共磨粉2.5份，混合均匀并用聚乙二醇造粒，然后压制成水口芯的素胚；在110℃烘干后，置于1705±15℃的温度下烧结8小时，得到氧化锆水口芯烧结成品。
（2）根据氧化锆水口芯的尺寸制作造型模具，该模具采用型砂1造型，型砂为湿砂或树脂砂，其包括浇铸通道2、氧化锆水口芯型腔、预应力环型腔3；将烧结好的氧化锆水口芯4安装于氧化锆水口芯型腔之中；利用熔融的20钢钢水浇铸填充预应力环型腔；冷却凝固后去除浇冒口，得到带有预应力环的氧化锆水口芯，预应力环宽度为5mm，壁厚为4mm，在氧化锆水口芯长度方向均匀布置三只预应力环。浇铸系统中可设计八只造型模具，呈扇形分布，即实现一模八出。
（3）将上述装配有预应力环的氧化锆水口芯与铁壳套和水口填充料一起压制组装成定径水口，装配有预应力环的氧化锆水口芯与铁壳套之间为水口填充料。
实施例2
（1）制备氧化锆水口芯：
按重量比称取30目氧化钙含量为2.5%wt的电容氧化锆颗粒3份，120目氧化镁含量为2.5%wt的氧化锆粉2.5份，500目的99.9%高纯氧化锆与2%氧化钇共磨粉3份，5000目的99.9%高纯氧化锆与2%氧化钇共磨粉3.5份，混合均匀并用聚乙二醇造粒，然后压制成水口芯的素胚；在110℃烘干后，置于1705±15℃的温度下烧结8小时，得到氧化锆水口芯烧结成品。
（2）根据氧化锆水口芯的尺寸制作造型模具，该模具采用型砂1造型，型砂为湿砂或树脂砂，其包括浇铸通道2、氧化锆水口芯型腔、预应力环型腔3；将烧结好的氧化锆水口芯4安装于氧化锆水口芯型腔之中；利用熔融的20钢钢水浇铸填充预应力环型腔；冷却凝固后去除浇冒口，得到带有预应力环的氧化锆水口芯，预应力环宽度为5mm，壁厚为6mm，在氧化锆水口芯长度方向均匀布置三只预应力环。浇铸系统中可设计八只造型模具，呈扇形分布，即实现一模八出。
（3）将上述装配有预应力环的氧化锆水口芯与铁壳套和水口填充料一起压制组装成定径水口，装配有预应力环的氧化锆水口芯与铁壳套之间为水口填充料。
实施例3
（1）制备氧化锆水口芯：
按重量比称取30目氧化钙含量为2.5%wt的电容氧化锆颗粒3份，130目氧化镁含量为2.5%wt的氧化锆粉2.5份，500目的99.9%高纯氧化锆与2%氧化钇共磨粉4份，5000目的99.9%高纯氧化锆与2%氧化钇共磨粉2.5份，混合均匀并用聚乙二醇造粒，然后压制成水口芯的素胚；在110℃烘干后，置于1705±15℃的温度下烧结8小时，得到氧化锆水口芯烧结成品。
（2）根据氧化锆水口芯的尺寸制作造型模具，该模具采用型砂1造型，型砂为湿砂或树脂砂，其包括浇铸通道2、氧化锆水口芯型腔、预应力环型腔3；将烧结好的氧化锆水口芯4安装于氧化锆水口芯型腔之中；将烧结好的氧化锆水口芯安装于上述型腔之中；利用熔融的20钢钢水浇铸填充型腔；冷却凝固后去除浇冒口，得到带有预应力环的氧化锆水口芯，预应力环宽度为6mm，壁厚为6mm，在氧化锆水口芯长度方向均匀布置三只预应力环。浇铸系统中设计10只水口芯型腔，呈扇形分布，即实现一模10出；
（3）将上述装配有预应力环的氧化锆水口芯与外壳料一起压制组装成定径水口。
实施例4
（1）制备氧化锆水口芯：
按重量比称取30目氧化钙含量为2.5%wt的电容氧化锆颗粒3份，150目氧化镁含量为2.5%wt的氧化锆粉2.5份，500目的99.9%高纯氧化锆与2%氧化钇共磨粉4份，5000目的99.9%高纯氧化锆与2%氧化钇共磨粉3.5份，混合均匀并用聚乙二醇造粒，然后压制成水口芯的素胚；在110℃烘干后，置于1705±15℃的温度下烧结8小时，得到氧化锆水口芯烧结成品。
（2）根据氧化锆水口芯的尺寸制作造型模具，该模具采用型砂1造型，型砂为湿砂或树脂砂，其包括浇铸通道2、氧化锆水口芯型腔、预应力环型腔3；将烧结好的氧化锆水口芯4安装于氧化锆水口芯型腔之中；利用熔融的20钢钢钢水浇铸填充型腔；冷却凝固后去除浇冒口，得到带有预应力环的氧化锆水口芯，预应力环宽度为6mm，壁厚为6mm，在氧化锆水口芯入口及中部布置2只预应力环。浇铸系统中设计10只水口芯型腔，呈扇形分布，即实现一模10出。
（3）将上述装配有预应力环的氧化锆水口芯与外壳料一起压制组装成定径水口；
实施例5
（1）制备氧化锆水口芯：
按重量比称取40目氧化钙含量为2.5%wt的电容氧化锆颗粒2.5份，150目氧化镁含量为2.5%wt的氧化锆粉2份，500目的99.9%高纯氧化锆与2%氧化钇共磨粉3份，5000目的99.9%高纯氧化锆与2%氧化钇共磨粉2.5份，混合均匀并用聚乙二醇造粒，然后压制成水口芯的素胚；在110℃烘干后，置于1705±15℃的温度下烧结8小时，得到氧化锆水口芯烧结成品。
（2）根据氧化锆水口芯的尺寸制作造型模具，该模具采用型砂1造型，型砂为湿砂或树脂砂，其包括浇铸通道2、氧化锆水口芯型腔、预应力环型腔3；将烧结好的氧化锆水口芯4安装于氧化锆水口芯型腔之中；利用熔融的经过球化处理的铁水浇铸填充型腔；冷却凝固后去除浇冒口，得到带有预应力环的氧化锆水口芯，预应力环宽度为6mm，壁厚为6mm，在氧化锆水口芯入口及中部布置2只预应力环。浇铸系统中设计10只水口芯型腔，呈扇形分布，即实现一模10出。
（3）将上述装配有预应力环的氧化锆水口芯与外壳料一起压制组装成定径水口。
实施例6
（1）制备氧化锆水口芯：
按重量比称取40目氧化钙含量为2.5%wt的电容氧化锆颗粒3份，150目氧化镁含量为2.5%wt的氧化锆粉2份，800目的99.9%高纯氧化锆与2%氧化钇共磨粉3份，5000目的99.9%高纯氧化锆与2%氧化钇共磨粉3.5份，混合均匀并用聚乙二醇造粒，然后压制成水口芯的素胚；在110℃烘干后，置于1705±15℃的温度下烧结8小时，得到氧化锆水口芯烧结成品。
（2）根据氧化锆水口芯的尺寸制作造型模具，该模具采用型砂1造型，型砂为湿砂或树脂砂，其包括浇铸通道2、氧化锆水口芯型腔、预应力环型腔3；将烧结好的氧化锆水口芯4安装于氧化锆水口芯型腔之中；利用熔融的经过球化处理的铁水浇铸填充型腔；冷却凝固后去除浇冒口，得到带有预应力环的氧化锆水口芯，预应力环宽度为8mm，壁厚为8mm，在氧化锆水口芯长度方向均匀布置三只预应力环。浇铸系统中设计10只水口芯型腔，呈扇形分布，即实现一模10出。
（3）将上述装配有预应力环的氧化锆水口芯与外壳料一起压制组装成定径水口。
实施例7
（1）制备氧化锆水口芯：
按重量比称取40目氧化钙含量为2.5%wt的电容氧化锆颗粒2.5份，150目氧化镁含量为2.5%wt的氧化锆粉2份，800目的99.9%高纯氧化锆与2%氧化钇共磨粉4份，5000目的99.9%高纯氧化锆与2%氧化钇共磨粉2.5份，混合均匀并用聚乙二醇造粒，然后压制成水口芯的素胚；在110℃烘干后，置于1705±15℃的温度下烧结9小时，得到氧化锆水口芯烧结成品。
（2）根据氧化锆水口芯的尺寸制作造型模具，该模具采用型砂1造型，型砂为湿砂或树脂砂，其包括浇铸通道2、氧化锆水口芯型腔、预应力环型腔3；将烧结好的氧化锆水口芯4安装于氧化锆水口芯型腔之中；利用熔融的经过球化处理的铁水浇铸填充型腔；冷却凝固后去除浇冒口，得到带有预应力环的氧化锆水口芯，预应力环宽度为8mm，壁厚为8mm，在氧化锆水口芯长度方向均匀布置三只预应力环。浇铸系统中设计12只水口芯型腔，呈扇形分布，即实现一模12出。
（3）将上述装配有预应力环的氧化锆水口芯与外壳料一起压制组装成定径水口。
实施例8
（1）制备氧化锆水口芯：
按重量比称取40目氧化钙含量为2.5%wt的电容氧化锆颗粒2.5份，150目氧化镁含量为2.5%wt的氧化锆粉2份，800目的99.9%高纯氧化锆与2%氧化钇共磨粉4份，5000目的99.9%高纯氧化锆与2%氧化钇共磨粉3.5份，混合均匀并用聚乙二醇造粒，然后压制成水口芯的素胚；在110℃烘干后，置于1705±15℃的温度下烧结9小时，得到氧化锆水口芯烧结成品。
（2）根据氧化锆水口芯的尺寸制作造型模具，该模具采用型砂1造型，型砂为湿砂或树脂砂，其包括浇铸通道2、氧化锆水口芯型腔、预应力环型腔3；将烧结好的氧化锆水口芯4安装于氧化锆水口芯型腔之中；利用经过球化处理的铁水浇铸填充型腔；冷却凝固后去除浇冒口，得到带有预应力环的氧化锆水口芯，预应力环宽度为6mm，壁厚为6mm，在氧化锆水口芯长度方向均匀布置三只预应力环。浇铸系统中设计10只水口芯型腔，呈扇形分布，即实现一模10出。
（3）将上述装配有预应力环的氧化锆水口芯与外壳料一起压制组装成定径水口。
另外，为了对比说明本发明的效果，利用常规的定径水口50只，作为对比例1，利用专利ZL201510100592.9提出的方法制作了50只水口，作为对比例2，与本发明实施例1~8各50只水口进行使用效果对比，如下表所示：
注：中间包水口的使用寿命定义为水口产品开始使用至其内径扩大导致钢水流速超过连铸机调节范围、必须要更换新水口的时间。相对制作成本对比列，以常规产品为参照，设置为1，其余技术方案制备的产品制作成本与之对比。预应力值通过X射线衍射仪器测量氧化锆水口芯的端面部位获得，为氧化锆水口芯在预应力环作用下产生的压应力值。
从上表可以看出，相对于对比例1和对比例2，本发明的实施例得到的氧化锆水口芯体积密度更高，预应力值更大，热震炸裂比例小，寿命更长，证明了本发明提出的技术方案具有突出的有益效果和创新性。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的非创造性的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
