功能耐火材料的佼佼者-氧化鋯

談到氧化鋯材料，大多數(shù)人的感受是“既熟悉又陌生”。說到“熟悉”，是因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域，氧化鋯迎來了爆發(fā)式的增長：作為常溫結(jié)構(gòu)件的釔鋯陶瓷和作為中溫結(jié)構(gòu)件的鎂鋯陶瓷都在相應(yīng)的領(lǐng)域具有無可替代的優(yōu)勢，從而在媒體上曝光率極高；而談到“陌生”，則更多地緣于其復(fù)雜的相變過程。

筆者在讀時期，常到交大做X衍射，數(shù)據(jù)分析的過程中常與各校氧化鋯方向的研究者交流。有人感慨：氧化鋯材料由于相變的多樣性為其研究者提供了肥沃的土壤，也讓時間緊迫者望而卻步。

有幸地是，筆者在從事氧化鋯材料研究的過程中，得到了前人的文獻(xiàn)資料及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的傳授?？梢灶A(yù)測：氧化鋯制品將是下一代功能性耐火材料的佼佼者。

有的同仁會提出疑惑：在科技發(fā)展日新月異的今天，對于趨勢性的判斷怎可如此確信？事實(shí)上，無論從理論方面的推演還是實(shí)踐方面的經(jīng)驗(yàn)，都在證明：鋼鐵低碳化的趨勢下，氧化鋯元件將會大放異彩。自中國的漢代時期產(chǎn)生了鐵器，伴隨產(chǎn)生了**代鋼鐵用耐火材料----粘土質(zhì)耐火材料。粘土質(zhì)耐火材料具有原料易得且保溫性好的優(yōu)點(diǎn)，為作坊級冶鐵業(yè)的發(fā)展提供了保障。到19世紀(jì)，善于利用化學(xué)原理提高鋼鐵冶金品質(zhì)及效率的歐洲科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了耐火材料成分與鋼鐵品質(zhì)之間的關(guān)系，使得耐火材料被按照功能劃分并在各細(xì)分領(lǐng)域分別取得了長足進(jìn)步。簡言之，模鑄時代是鋁硅系“萬能”耐火磚的時代；連鑄時代是碳結(jié)合耐火材料/陶瓷結(jié)合耐火材料/精細(xì)結(jié)構(gòu)功能元件大放異彩的時代；而即將到來的智能鋼鐵時代則會是氧化鋯耐火材料當(dāng)仁不讓的時代。

氧化鋯作為耐火材料家族的一員，與其他耐火材料相比具有諸多優(yōu)勢且優(yōu)勢自成體系：炭系材料耐溫性高&導(dǎo)熱性好且熱膨脹系數(shù)低，缺點(diǎn)是易氧化，易被鋼水溶解；鋁硅系熱震穩(wěn)定性好且價格低廉，缺點(diǎn)是抗渣性不佳致使壽命受限；鎂鈣系是優(yōu)特鋼的偏愛，卻因熱震穩(wěn)定性不良和易水化等缺點(diǎn)限制了其用于精細(xì)功能原件。氧化鋯是耐火原料家族中抗鋼渣侵蝕性最強(qiáng)的材料且自帶優(yōu)異的熱震穩(wěn)定性。影響氧化鋯材料推廣有兩大門檻：一是技術(shù)門檻，要使氧化鋯充分發(fā)揮其優(yōu)異性能，須突破技術(shù)難點(diǎn)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能的大幅度提升并保障品質(zhì)的一致性；二是成本門檻，只有實(shí)現(xiàn)使用壽命的成倍地提高才能取得可以接受的性價比。下面文中，筆者將從技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益兩方面說明氧化鋯被推廣的必然性。

氧化鋯耐火材料實(shí)現(xiàn)了“陶瓷化”，進(jìn)而大幅度提升了其作為連鑄水口關(guān)鍵部件的使用壽命。氧化鋯作為重要的耐火原料，其被用于鋼鐵行業(yè)的使用方式與電熔剛玉有極大相似性，換言之，電熔氧化鋯顆粒及細(xì)粉是氧化鋯參與耐火材料中的方式（圖1為電熔鈣穩(wěn)定氧化鋯）。

圖1.電熔鈣穩(wěn)定氧化鋯（福建三祥提供）

以電熔氧化鋯顆粒為原料制備的耐火元件（以定徑水口為例），按照-40目/-100目/-325目體系的顆粒級配制得的產(chǎn)品，體積密度只有4.8，氣孔率超過16%。這種元件在使用中的損毀，是以氧化鋯顆粒剝落為主要形式，因而未能充分發(fā)揮其壽命方面的優(yōu)勢。而陶瓷型氧化鋯耐火制品的出現(xiàn)，因其密度可達(dá)到5.5，氣孔率降低到＜5%，使得使用壽命大幅度提升（圖2為陶瓷型氧化鋯水口芯）。

圖2.陶瓷型氧化鋯水口芯（青島賽萊歐高溫陶瓷有限公司）

氧化鋯陶瓷制品成功用于鋼鐵行業(yè)并實(shí)現(xiàn)水口壽命的大幅度提升，得益于其相變增韌機(jī)理。穩(wěn)定相與單斜相之間的轉(zhuǎn)換伴隨著體積變化且相變溫度區(qū)間低于鋼水溫度，使得相變增韌成為氧化鋯的“自帶開掛”。圖2中的厚壁制品（壁厚達(dá)到30mm）仍然可以承受1300℃的瞬時溫差而不發(fā)生脆性開裂。

氧化鋯具備相變增韌的特點(diǎn)為其進(jìn)一步提高性能提供了豐富的研究方向。據(jù)青島賽萊歐高溫陶瓷有限公司的最新研究成果，用于快換下水口的氧化鋯陶瓷制品可以達(dá)到5.7的密度，氣孔率＜1%，同時具備優(yōu)良的熱震穩(wěn)定性（圖3）。該產(chǎn)品用于快換下水口有望將下水口壽命從目前的6-8小時提升至20小時，從而大力推動連鑄自動化和連鑄智能化。

圖3.高致密度鋯芯（青島賽萊歐高溫陶瓷有限公司）

論氧化鋯耐火材料推廣的經(jīng)濟(jì)效益，自然要以其使用性能為前提。以某螺紋鋼企業(yè)中間包快換上水口為例，普通鋯芯（半陶瓷型：單重1.35kg，體積密度5.36，氣孔率7%）使用壽命36h，而賽萊歐的改進(jìn)陶瓷型鋯芯（單重1400g，體積密度5.5，氣孔率4.5%）使用壽命72h。壽命的大幅度提高平衡了選用優(yōu)質(zhì)原材料導(dǎo)致的成本增加。

如果將上述陶瓷型氧化鋯原件推廣到鋼包滑板，可以預(yù)測會帶來三大變化：

1.鋼包滑板的連滑率將由目前的3次提高到10次以上（同等水平的機(jī)構(gòu)及使用環(huán)境）；
2.滑板的外形尺寸（安裝機(jī)構(gòu)）將大幅縮小，滑板關(guān)閉狀態(tài)下錯孔距離可由2倍孔徑降低為0.5倍孔徑；
3.滑板生產(chǎn)工藝大大簡化，省去燒成/油浸等復(fù)雜工藝，省去金屬鋁粉等危險品原料。
書不盡言，在氧化鋯制品實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破的情況下，耐火元件將實(shí)現(xiàn)“設(shè)備化”，由“易損耗”/“不穩(wěn)定”變得“穩(wěn)定且持久”。其推廣應(yīng)用到轉(zhuǎn)爐出鋼口/連鑄三大件等元件及諸多壽命有待提升的場景，必將有力推動鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排和數(shù)字化改造，為進(jìn)一步提高鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)效率和過程精準(zhǔn)控制提供保障。