浸入式水口用于钢水从中间包注入连铸机结晶器时对钢水进行防氧化保护。铝碳质浸入式水口的本体由刚玉-石墨制成，渣线由高抗侵蚀性的锆碳材料制成。浸入式水口在使用过程中主要发生的蚀损有：内壁被钢水冲蚀；钢水中的元素与水口中的材料反应生成物在水口内壁上结瘤堵塞水口；水口渣线的蚀损。为了提高浸入式水口的寿命，印度的研究人员研究了减少浸入式水口在结晶器渣中蚀损的方法。
    研究了三种配比的锆碳层混合料，其中使用不同的二氧化锆和抗氧化剂（见表1）。侵蚀试验结果表明，配方Z2的试样具有最好的抗侵蚀性，也就是说锆碳层中抗氧化剂的最佳加入量为3.2%。在配方Z2（含3.2%抗氧化剂）的基础上，用不同含量的二氧化锆纳米粉替代相应数量的二氧化锆粗颗粒制备混合料，其配比见表2，用等静压成型法制成40 mm×40 mm×150 mm的试样，试验其抗侵蚀性。结果表明，随着纳米二氧化锆含量的增加，试样的蚀损减轻。纳米二氧化锆粉填充在大颗粒二氧化锆粉和石墨颗粒之间的空隙，使得气孔尺寸和数量减少，在基质中形成尺寸均匀的气孔。随着纳米二氧化锆含量的增加，试样的显气孔率降低，强度也增大。体积密度实际上没有增加，因为纳米二氧化锆粉的密度低于粗颗粒二氧化锆的密度。此外，纳米二氧化锆比表面积高，可在石墨表面形成涂层，保护石墨不被氧化和溶解到钢水中。
表1 试验的基础配比（w）/%

组成	Z1（普通）	Z2	Z3
二氧化锆	81.5	79.6	77.7
抗氧化剂	1.2	3.2	5.2
CaO	3.3	3.2	3.1
C	14.0	14.0	14.0

表2 改进试样的配比（w）及其性能

指标	Z2A	Z2B	Z2C
二氧化锆粗粉/%	78.8	78.4	78.0
二氧化锆纳米粉/%	0.8	1.2	1.6
抗氧化剂/%	3.2	3.2	3.2
CaO /%	3.2	3.2	3.2
C /%	14.0	14.0	14.0
显气孔率/%	14.2	12.8	9.5
体积密度/(g·cm-3)	3.45	3.46	3.46
抗折强度/MPa	12.2	13.9	16.7

    虽然随着二氧化锆含量的增加，锆碳层的耐侵蚀性提高，但是二氧化锆含量过高会增加产生裂纹的可能性，因为二氧化锆的热导率不高，且热膨胀较大。抗氧化剂在提高锆碳层耐侵蚀性方面发挥较大作用，但是大量使用抗氧化剂相应就会减少渣线材料中二氧化锆的含量，因为要保证其抗龟裂性，碳含量不能低于一定的范围。这样渣线的耐蚀性就会下降。此外，抗氧化剂会导致产生易熔的无定形相，这种易熔物会进一步降低其抗侵蚀性。因此，需要使用最佳数量的抗氧化剂。
    试样的龟裂试验表明，试样上的防氧化涂层可防止其氧化，试样在5 min内加热到1 500 ℃，然后在25 min内冷却到室温，这样经过5次循环后试样Z2A和Z2B上没有出现裂纹，而试样Z2C经过两次循环即产生明显的裂纹。这说明在锆碳层中可以使用的纳米二氧化锆的最佳含量为1.2%。试制的浸入式水口可浇铸1 510~1 530 ℃的低碳钢14.5 h。渣线层初始厚度为30 mm，浇铸14.5 h后Z2试样的残余厚度为6.5 mm，Z2B试样的厚度为12 mm，仍可继续浇铸5.5 h。
    试验结果表明，抗氧化剂的加入量最佳时浸入式水口渣线的抗侵蚀性能得到改善。锆碳质渣线配料中使用的抗氧化剂的最佳数量为3.2%，抗氧化剂含量过低会增大浸入式水口在加热时碳的氧化，且抗侵蚀性不高。另一方面，如果抗氧化剂含量高于最佳水平，也会降低其抗侵蚀性，因为抗氧化剂含量过高，二氧化锆含量会相应减少。
    通过添加纳米二氧化锆细粉，可以减少气孔的尺寸和数量，保证同样尺寸的气孔均匀分布在锆碳基质中。这样能防止熔渣和钢水对基质的渗透，减慢蚀损过程，使浸入式水口锆碳层的抗侵蚀性得到提高。石墨上的纳米氧化锆涂层能防止石墨在钢水中溶解，这也能提高其耐侵蚀性。但是，纳米二氧化锆的最大用量为1.2%。纳米二氧化锆的数量过多会使基质的气孔率显著降低，这可能导致裂纹的产生。

(编译自俄刊《耐火材料与工程陶瓷》2011，№4/5)