溫度梯度對氧化鋯質定徑水口損毀的誘導作用

姚 爽 趙 亮 薛群虎 徐 亮 李 翔

1）長江師范學院 土木建筑工程學院 重慶408100

2）西安建筑科技大學 材料科學與工程學院 陜西西安710055

3）浙江自立高溫科技股份有限公司 浙江上虞312300

4）青島賽萊歐高溫陶瓷有限公司 山東青島266000

部分穩定氧化鋯（PSZ）具有耐高溫、耐磨損、耐化學腐蝕、抗氧化等優良性能，被廣泛應用于軍工、機械、催化、冶金、能源和生物等領域［1-3］。此外，部分穩定氧化鋯的比熱和熱導率也較低，非常適用于制造熱損失小的耐火材料元件，但低熱導率會導致連鑄過程中氧化鋯質定徑水口內部產生較大的溫度梯度。在一些研究中，通常將氧化鋯質定徑水口的損毀因素分為物理損毀和化學損毀兩大類［4-5］，卻忽略了溫度梯度對定徑水口損毀產生的影響。由于連鑄過程中定徑水口被水口座磚和鋁碳磚包裹，其所處溫度難以直接測出，文獻［6］結合用后定徑水口原磚層、過渡層和變質層的厚度及其他相關參數，通過熱力學分析軟件ANSYS求解出連鑄過程中水口的三維溫度場分布規律，得出原磚層、過渡層和變質層在連鑄過程中所處的溫度分別在1 300、1 410和1 540℃左右。本研究中，分別以這3個溫度對Mg-PSZ和（Mg，Y）-PSZ質定徑水口原樣進行熱處理，模擬定徑水口在連鑄過程中所處的溫度環境，分析連鑄過程中溫度梯度對定徑水口原磚層、過渡層和變質層相組成和顯微結構的作用規律，得出溫度梯度對氧化鋯質定徑水口損毀的誘導作用。0*

1 試驗

試樣A為河南某公司生產的Mg-PSZ質定徑水口原樣，試樣B為上海某公司生產的（Mg，Y）-PSZ質定徑水口原樣，其化學組成和物理性能如表1和表2所示，類型均為細顆粒型。

表1 氧化鋯質定徑水口的化學組成Table 1 Chemical composition of ZrO2 metering nozzle

采用HRY-01型高溫蠕變爐對φ20 mm×75 mm的試樣進行1 300、1 410和1 540℃下保溫5 h熱處理后水淬冷卻。采用D／MAX 220型X射線衍射儀（XRD）分析試樣的相組成，采用JXA-8100型電子探針（EPMA）觀察試樣的顯微結構。

表2 氧化鋯質定徑水口的物理性能Table 2 Physical properties of ZrO2 metering nozzle

2 結果與討論

2．1 相組成

在1 300、1 410和1 540℃保溫5 h熱處理再水淬冷卻后試樣A和B的XRD圖譜如圖1所示。

圖1 經不同溫度處理后試樣A和B的XRD圖譜Fig．1 XRD patterns of the samples A and B heat-treated atdifferent temperatures

由圖1可看出，溫度對試樣A和B的相組成影響明顯。試樣A和B均由單斜相（m-ZrO2）和立方相（c-ZrO2）組成，隨著溫度的升高，立方相（111）晶面的相對強度Ic升高，單斜相（111）晶面的相對強度Im降低，單斜相（-111）晶面的相對強度Im也降低。單斜相的體積分數可由式（1）獲得［7］，立方相的體積分數為：100%-φ（m-ZrO2）。試樣中單斜相和立方相的體積分數計算結果如圖2所示。

式中：Im為單斜相的相對強度；Ic為立方相的相對強度。

圖2 試樣中單斜相和立方相的體積分數Fig．2 Volume fractions of monoclinic and cubic zirconia phases in samples

由圖2可知，隨著熱處理溫度的提高，試樣A和B中m-ZrO2相含量均減少，相應地，c-ZrO2相含量增加。

2．2 顯微結構

圖3給出了在1 300、1 410及1 540℃熱處理后試樣A和B的SEM照片。

圖3 各試樣的SEM照片Fig．3 SEM photos of samples

由圖3可以看出，隨著熱處理溫度的提高，試樣A和B的晶粒均發生長大。在連鑄過程中，定徑水口的原磚層、過渡層和變質層顆粒尺寸會因為所處溫度區域不同而發生變化，越接近鋼水區域的PSZ晶粒尺寸會越大。

2．3 討論分析

在連鑄過程中產生的溫度梯度會造成氧化鋯質定徑水口物相隨著溫度的升高由m-ZrO2向c-ZrO2轉變，從而導致1 540℃時（此溫度對應變質層）的c-ZrO2含量最高，1 310℃時（此溫度對應原磚層）c-ZrO2含量最低，而且PSZ晶粒從原磚層到變質層發生了生長。由于在連鑄過程中定徑水口還會受到鋼渣的侵蝕作用，造成變質層c-ZrO2向m-ZrO2轉變和晶粒破裂，并逐漸向過渡層和原磚層發展［8］，于是在溫度梯度和鋼渣侵蝕的協同作用下（見圖4），會造成定徑水口中m-ZrO2c-ZrO2相變的持續發生。因為m-ZrO2和c-ZrO2相具有不同的熱膨脹系數，相變引起的晶粒膨脹和收縮會加速PSZ顆粒破裂，并降低顆粒間結合力。同時定徑水口由于各層間溫差和鋼渣侵蝕引起的持續晶粒生長和破裂，亦會產生應力作用，加速定徑水口的損毀，因此溫度梯度對氧化鋯質定徑水口損毀具有明顯的誘導作用。

圖4 協同作用示意圖Fig．4 Schematic of comprehensive action

3 結論

定徑水口原樣分別在1 300、1 410和1 540℃保溫5 h后水淬冷卻，試樣中的c-ZrO2、m-ZrO2礦物相含量和晶粒尺寸均發生了顯著變化。隨著熱處理溫度的提高，c-ZrO2相含量增加，m-ZrO2相含量減少，晶粒尺寸增大，說明連鑄過程中定徑水口中產生的溫度梯度會對其相組成和顯微結構產生影響，并通過與鋼渣侵蝕的協同作用，誘導定徑水口損毀加速，從而降低其性能和使用壽命。