深度解析：连铸“三大件”铝碳质耐火材料的生产工艺与质量控制

在现代钢铁连铸技术中，长水口、浸入式水口与塞棒，这“三大件”功能耐火材料，是确保钢水纯净度、稳定流场与生产顺行的生命线。尽管它们在功能上各司其职，其制造核心却高度统一，绝大多数都基于铝碳质材料体系。这背后的一整套生产工艺，从原料选择到最终探伤，每一步都蕴含着深刻的材料科学与工程考量。本文将系统拆解这一精密制造过程。

原材料体系：性能的基因密码

产品的最终性能，从源头的原料配比便已开始谱写。原料的纯度、粒度乃至微观结构，都对成品的使用寿命和可靠性产生决定性影响。连铸“三大件”的原料系统主要由主体原料、石墨、添加剂和结合剂四大模块构成。

1. 主体原料

这是构建制品骨架的基础。常用的包括各类刚玉、电熔镁砂、尖晶石、电熔氧化锆、熔融石英及电熔莫来石。原料的选择并非一成不变，而是根据制品的不同部位和服役条件进行精细化、差异化配置：

• 本体部位： 通常选用高纯度的刚玉或高铝原料，确保材料的整体高温强度和耐侵蚀性。
• 渣线部位： 此处是侵蚀最剧烈的区域，常引入部分稳定的电熔氧化锆，以其卓越的抗钢渣侵蚀性来构筑坚固防线。
• 功能端部： 塞棒棒头、水口碗部等直接与钢水流接触的关键区域，则需依据所浇铸钢种的特性，选用刚玉、电熔镁砂或尖晶石等特定材质。
• 热震稳定性优化： 为了缓解急冷急热带来的应力，配方中会引入石英或莫来石，利用其低热膨胀特性来提升材料的抗热震性能。

在粒度控制上，对骨料的要求极为严苛，通常其粒径需控制在1 mm以下，以保证成型体的致密与均匀。

2. 石墨原料

石墨在配方中的大量存在，赋予了材料优异的抗热震性与抗熔体侵蚀能力。然而，这也带来了一个固有难题：石墨在高温下极易氧化。如何驾驭这匹“双刃剑”？答案是选用高纯度、大鳞片的石墨。高纯度可以减少杂质引入的低熔点相，而大鳞片结构本身具有更佳的抗氧化性，能够在保证性能的同时，延缓氧化损耗。

3. 改性添加剂

若说主体原料和石墨构成了材料的“骨”与“肉”，那么添加剂就是激发其潜能的“激素”。这些用量虽小但作用巨大的组分，其核心任务是弥补基体材料的短板，或在特定工况下触发有利的化学反应。

• 抗氧化剂： 金属铝粉、硅粉、碳化硅(SiC)、碳化硼、Al-Si及Al-Mg合金粉等是常用选项。它们的作用机制多样：或是在使用过程中“牺牲”自己，先于石墨被氧化，甚至将产生的CO还原为碳，从而保护石墨基体；或是通过原位反应，在热处理过程中生成SiC、Si₃N₄、AlN等非氧化物增强相，显著提升材料的高温强度和致密度，形成致密的保护层。

4. 有机结合剂

连铸“三大件”的坯体强度并非天然具备，而是依赖于有机结合剂。目前行业主流采用酚醛树脂或糠醛酚醛树脂。其关键在于，这类树脂在后续热处理过程中会裂解、炭化，形成牢固的“碳结合”网络，将骨料、石墨和添加剂紧密联结在一起。因此，对树脂的要求很明确：高残炭率、适宜的粘度以及稳定的化学性能。其加入量通常控制在5% ~ 10%之间。

核心制造工艺流程：从粉料到精密部件

一套完整的生产工艺，是将精心设计的原料配方转化为高性能产品的保障。其流程环环相扣，逻辑清晰：坯料制备 → 等静压成型 → 干燥与热处理 → 精密加工 → X射线探伤 → 表面防氧化涂层 → 包装入库。

1. 坯料的制备 此阶段包含配料、混料、造粒与干燥。

• 配料与混料： 严格按照配方比例精确称量各类原料，并投入高速混碾机中。骨料、树脂、石墨和预混合的添加剂粉末被一同加入，通过高速剪切与碾压实现宏观与微观的均匀混合。
• 造粒与干燥： 高速混碾机在混料的同时也起到造粒作用，形成流动性良好的颗粒。随后，这些粒料需进行干燥，以满足成型条件。干燥设备可选常规的箱式干燥窑或效率更高的流化床，但温度必须严格控制，一般不超过80℃，以防止树脂过早发生不可逆的化学变化。

2. 等静压成型 这是赋予制品雏形的关键步骤。将制备好的粒料填入内部带有钢制模芯的组合式橡胶模具中。为保证密度均匀，加料过程需讲究技巧，从不同部位分别加入。模具封闭后，送入等静压机中，通过液体介质施加超高压，使粉料被压实成型。整个过程中的升压速率、保压时间及泄压曲线都需经过精确计算与控制，直接决定了坯体的内部结构均匀性。

3. 干燥与热处理 成型后的坯体内部仍含有挥发分，需先进行低温干燥将其排除。随后，在隔绝空气的条件下进行高温焙烧（热处理）。这一步是形成“碳结合”的最终环节，树脂在此过程中分解、炭化，最终在材料内部形成三维的碳网络结构，赋予制品极高的结合强度。热处理通常在梭式窑中进行，焙烧温度常设定在1000~1250℃。

4. 加工和表面涂层 等静压成型坯体的外形尺寸，尤其是与其他部件配合的部位，其精度尚无法满足使用要求。因此，必须对制品进行局部或全部的精密机械加工。加工完成后，为防止产品在现场烘烤和使用过程中被氧化，还需在其表面涂覆一层保护涂料。这种涂料经过特殊配制，能在较低温度（600~750℃）下熔化成均匀的釉层，稳定地附着在制品表面，形成一层致密的物理屏障，有效隔绝氧气，保护内部的石墨。

5. X射线探伤 连铸“三大件”在使用过程中承受着极高的热应力、机械应力和化学侵蚀，任何微小的内部缺陷都可能导致断裂，造成灾难性的生产事故。因此，100%的无损探伤是出厂前不可或缺的最后一道质量关卡。采用工业X射线探伤仪对每一个产品进行“透视”检查，确保其内部无裂纹、疏松等任何形式的损伤。

要精确评估材料从原料到成品的每一个环节是否达标，除了工艺控制，更依赖于系统的检验检测。从原料的化学成分分析、粒度分布，到成品的显气孔率、体积密度、抗折强度等理化指标的测定，都需要专业的实验室能力支持。这正是专业检测机构的核心价值所在。

精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测耐火材料理化性能及无损探伤，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636

理化性能指标参考

产品的质量最终需要通过一系列可量化的理化性能指标来评判。下表1援引了国家标准YBT007—2003中对连铸用铝碳质耐火制品的理化性能要求，为生产与验收提供了依据。

表1：连铸用铝碳质耐火制品理化性能指标 (YBT007—2003)

注：

1. 根据用户需要，对制品需采用复合材质等特殊要求时，供需双方协商。
2. 符号说明：C—长水口；R—浸入式水口；S—塞棒；Z—复合部位锆碳质；M—复合部位镁碳质。