一种连铸钢包用均质挡渣球用耐火材料及其制作挡渣球方法技术领域
本发明涉及冶金领域，尤其涉及连铸钢包用均质挡渣球。
背景技术
在冶金过程中，避免冶金炉渣进入钢水是公知的技术要求。目前，转炉出钢过程
中，挡渣技术比较成熟，公布了较多的关于转炉挡渣塞或挡渣球的发明专利和实用新型专
利，如：ZL201620229498.3，ZL201620123722.0，ZL201220656139.8，ZL201420812925.1，
ZL201220340602.8，ZL201620001804.8，通过耐火材料外体内部加适当的金属或金属氧化
物配重，并在外形上进行了各种设计以增强挡渣效果。因转炉出钢时间只有3分钟左右，且
挡渣塞或挡渣球可通过机械在出钢末期加入到转炉内，这种技术不能应用到连铸钢包内挡
渣。
在连铸过程中，目前控制钢包中的炉渣进入中间包的技术有：[1]钢包中加塞棒的
办法。在钢包中加一支贯通钢包上下的耐火材料塞棒。由于安全原因，此方法现在很少使
用；[2]滑板控制法。钢包中的钢水都是通过钢包底部水口外安装的滑动水口流向连铸中间
包的，操作工根据测重和经验，通过关闭滑动水口来控制炉渣进入中间包，难以保证控制下
渣的准确性；[3]下渣检测法。在钢包水口外安装一套下渣检测系统，根据红外原理或钢水
和熔渣电阻率不同的原理，开发了一系列钢包下渣检测方法，如：中国专利
ZL201420022246.4，ZL201010510263.9，ZL201010249403.1，ZL01126918.9，等。由于是间接
检测下渣的方法，一旦检测到有炉渣流到水口内，钢包内的涡流早就发生了，已经有炉渣随
涡流流到中间包里了，此技术无法从根本上阻止钢包内炉渣流到中间包内。[4]在连铸钢包
内用挡渣球或挡渣锥进行挡渣。如中国专利：ZL 201420433988.6公开了一种大包浇注挡渣
用挡渣塞，该挡渣塞由塞头部和塞体部组成，塞头部为正六棱柱形；塞体部，位于塞头部正
下方，与塞头部一体成型，塞体部为半椭圆体形；其主要原料用的是硫钢、粒钢和钢精粉，并
在钢水精炼出站后浇注前投入钢包，连铸时大包钢水温度一般在1530~1680℃，投入钢包
后，十分钟以内，上述挡渣塞即与大包内钢水温度同步，高于上述主要原料的熔化温度，在
正常浇注周期40~90min内，挡渣塞发生熔化而无法使用。再如中国专利ZL 201520770781.2
公开了一种用于防止大包旋涡卷渣的挡渣球，挡渣球由实心球体和包覆在实心球体外的耐
火材料层构成，其实心球体为铁球或钢球，使用时因连铸钢包内的高温而熔化，导致无法实
际应用。冶金工作者对用均质耐火材料作为挡渣球原料作了一些探索，如：
ZL201210304453.4，其所用原料是耐火材料细粉除铁粉，即是棕刚玉细粉或高铝细粉和铁
的混合物；ZL200310119481.X原料主要是镁砂和铁矿石粉；美国专利US4725045公开了一种
锥形钢包内挡渣塞，其采用把钢珠（steel shot)浇注在铝质耐火材料中形成比重为
0.176lbs/in3（4.872kg/cm3)的挡渣塞。这些技术因原料中含铁或铁矿石粉，无法在高温的
连铸钢包内长时间使用。如果试图在钢包浇注快结束时提前几分钟放入挡渣球或挡渣塞，
因连铸时钢包处于连铸回转台上，钢包上还有保温盖，无法实现安全准确地放入挡渣球或
挡渣塞。
随着冶金技术的发展，对连铸坯中的夹杂物要求越来越严，而现有技术又无法实
现真正意义上的阻止钢包渣进入中间包，冶炼特殊钢时，钢厂只有把浇注开始和结束处的
几支连铸坯降级或报废，这既增高了成本，又增加了生产的组织难度。
要使连铸钢包内挡渣球实现挡渣功能，挡渣球必须同时具有以下技术特点：[1]比
重大于在4.0 kg/cm3，这样保证挡渣球始终处于连铸钢包的液态钢--渣界面处；[2]挡渣球
内不得含有金属或低熔点物质，这样保证挡渣球处于1530~1680℃的连铸钢包内40~90min
内不开裂和熔化；[3] 挡渣球具有极强的抗热震稳定性，这样保证常温时挡渣球直接投入
1530~1680℃的连铸钢包内而不炸裂；[4] 挡渣球具有极强的抗炉渣浸蚀能力，这样保证挡
渣球处于1530~1680℃的连铸钢包内40~90min内不被炉渣浸蚀而失效；[5] 挡渣球的大小
与钢包水口直径相匹配，这样保证挡渣球能顺利滚到水口上方起到挡渣作用。上述这些要
求是常规挡渣球技术和炉衬用锆质浇注料技术（如中国专利：ZL201010535390.4,
ZL201210216037.9)无法满足的。
综上所述，到本专利申请时为止，无论是钢包外感应挡渣技术还是钢包内挡渣球
技术都存在以下不足：[1] 挡渣球结构复杂，不安全；[2]无法消除和减少涡流；[3]挡渣球
内含铁或铁的氧化物，密度不均匀，不能在高温连铸钢包内长时间使用而不被侵蚀或熔化；
[4]挡渣球抗热震稳定性不够，不能承受直接投入高温钢包后超高温度梯度而导致开裂或
炸裂。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种可有效阻止钢包中炉渣进入中间包，抗
热震稳定性好，防止侵蚀或熔化，有效防止开裂或炸裂的连铸钢包用均质挡渣球用耐火材
料及其制作挡渣球方法。
为实现本发明目的，提供了以下技术方案：一种连铸钢包用均质挡渣球用耐火材
料，其特征在于其组份按重量百分比计包括ZrO2 62~80wt%、 Al2O3 14~32wt%、SiO2 2~
6wt%、SiC 2~4wt%，外加硅溶胶3.0~6.5wt%，余量为不可避免的杂质。
为实现本发明目的，提供了另一种技术方案：一种连铸钢包用均质挡渣球用耐火
材料制作挡渣球方法，其特征在于将制作
各原料按重量配比如下：将制作挡渣球的原料按重量百分比计：稳定氧化锆62~80
wt%、电熔刚玉14~32wt%、粒度≤1μm的羽状多晶硅 2.0~5.0 wt%、 粒度≤5μm的SiC微粉
2.0~4.0 wt%、减水剂0.1~0.5 wt%、防爆纤维0.03~0.06 wt%混合练制，然后在加入占上述
原料总和的重量百分比3.0~6.5 wt%的硅溶胶混均，倒入挡渣球模具成型，然后脱模，养护，
放入窑中按≤50℃/h的升温速度升到800℃保温2小时以上，再按≤50℃/h的降温速度冷却
到室温，即得产品钢包挡渣球，比重为4.0~4.9 kg/cm3。挡渣球在精炼结束连铸开始前投入
钢包内，连铸快结束时，在钢水涡流作用下，挡渣球流到钢包水口上方，阻止钢包中炉渣进
入中间包。
作为优选，脱模为放置24小时后，养护为恒温恒湿环境中养护48小时。
作为优选，稳定氧化锆按重量百分比计由： 颗粒3~8mm，31~40 wt%；颗粒40~70目，
12.4~16 wt%；颗粒100~180目，6.2~8.0 wt%；颗粒300~500目，12.4~16%。
作为优选，电熔刚玉按重量百分比计由：颗粒1~3mm，8.4~19.2 wt%；颗粒40~70目，
2.1~4.8 wt%；颗粒100~180目，1.4~3.2 wt%；颗粒300~500目，2.1~4.8 wt%。
上述颗粒级配是非连续性的，再配以其它添加剂，这种级配生产出来的本发明产
品挡渣球气孔率≤10%，是常规浇注料的级配方法做不到的。
作为优选，混合练制步骤包括先将稳定氧化锆和电熔刚玉颗粒原料预混10分钟，
然后加入防爆纤维、粒度≤5μm的SiC微粉、减水剂、粒度≤1μm的羽状多晶硅混练15分钟。
实践表明，连铸钢包挡渣球要长时间浸泡在1530~1680℃的高温钢水中，极少量的
铁杂质即可导致挡渣球开裂、失效。本发明中，当原料中全铁含量大于0.5%时，即需除铁。首
先对主体原料用吸铁石进行除铁，如还不能达到要求，就将主体原料稳定氧化锆和刚玉的
颗粒和细粉放入30~50%（w/w)的盐酸溶液中浸泡12~18小时，取出后，水洗、烘干备用。
作为本发明的技术关键之一：本发明在使用时要将常温的挡渣球直接投入1530~
1680℃的连铸钢包内，这要产品具有超高的热震稳定性。本发明创造性地将羽状多晶硅引
入浇注料中，通过羽状多晶硅加硅溶胶复合技术，实现了无水泥结合。所述羽状多晶硅，俗
称“白稻壳”，是稻壳通过控制条件燃烧热解所得到的产品，市场上有售。其原料中SiO2≥
92wt%, C固≤0.05 wt %, 本发明中，将采购来的原始羽状多晶硅自行加工成小于300目的
细粉，加工时其网状微结构不能破坏，仍保持无定型状态，其显微结构基本粒子的平均粒径
约为50nm, 比表面积大于300ｍ２／g。实验表明，这种羽状多晶硅在本发明中很好地起到结
合剂和稳定剂的作用，高温烧成后的显微结构表明，羽状多晶硅在高温下与ZrO2微粉反应
生成锆英石相，但彼此又成网状连结，这极大地提高了本发明产品的热震稳定性。而采用硅
微粉等其它微粉材料就达不到此效果。
作为本发明的技术关键之二：硅溶胶为纳米级的二氧化硅颗粒在水中或溶剂中的
分散胶体溶液，无臭、无毒，分子式可表示为 mSiO2nH2O，硅溶胶粒子微细(10~20nm)，有相当
大的比表面积，市场上有售，采购时，控制硅溶胶中含SiO222.0~26.0%为最佳。高温时，硅溶
胶粒子SiO2发挥超微细粉作用，增强了各固熔相的稳定性。本发明产品加入重量百分比为
参照的羽状多晶硅2.0~5.0%，生产时另外加入重量百分比为参照的硅溶胶3.0~5.5wt%。业
内技术员知道，热震和体密是两个矛盾的指标，本发明通过上述无水泥结合综合技术，产品
经800℃低温烧成处理后，常温耐压强度只有 30-50MPa，而高温热震稳定性良好。这样在体
密≥4.0 kg/cm3，气孔率≤10%的条件下，实现了超高的的热震稳定性。
本发明技术关键之三：抗炉渣侵蚀能力。本发明中产品主要原料是稳定氧化锆，它
不但有能满足本发明的高比重要求，还有非常好的抗炉渣侵蚀能力，市场上有售的稳定氧
化锆分别有钙稳定、镁稳定、钇稳定和复合稳定氧化锆，经检验，这些稳定氧化锆均能满足
本发明使用，采购时，要求ZrO2≥93.0%。其它形态的氧化锆都会导致产品在高温下开裂失
效。为进一步提高本发明产品挡渣球的抗炉渣侵蚀能力，本发明还通过加入适量的SiC 微
粉，经实验，SiC 微粉中要求SiC≥95.0%，最佳加入量为2.0~4.0%，粒度范围为5μm以下。本
发明中原料还采用了电熔刚玉，其中Al2O3≥99.0%，市场有售，高温时，其与ZrO2生成稳定的
锆刚玉相，有极好的抗炉渣侵蚀能力。业内技术员知道，氧化锆有很好的热震稳定性和抗炉
渣侵蚀能力，本发明实验时，也曾试过采用连铸水口的高温烧成技术生产钢包挡渣球，但试
用时发生开裂失效，这是因为，连铸水口有外套保护，使水口的细微裂纹不会扩大而影响使
用。在连铸钢包内，挡渣球只要发生小裂纹，就会在炉渣侵蚀和热应力综合作用下失效。
通过水模型及数值模拟确定挡渣球直径。精炼结束后，挡渣球被投入钢包内，连铸
期间，钢包处于连铸机回转台之上，钢包上沿还盖有保温包盖，肉眼无法看到挡渣球的位
置，为保证挡渣球在连铸结束时准确处于钢包水口上方，本发明通过建立水模型模拟，通过
示踪剂测定涡流发生的规律，挡渣球的运动轨迹等参数；再数学模型模拟计算，并通过现场
检验，发现挡渣球直径比钢包水口直径大100~120mm较理想，优选来说，以比钢包水口直径
大110mm为最佳。
本发明有益效果：可有效阻止钢包中炉渣进入中间包，抗热震稳定性好，防止侵蚀
或熔化，有效防止开裂或炸裂。
具体实施方式
以下结合几个具体实施例，示例性说明及帮助进一步理解本发明，但实施例具体
细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下的全部技术方案，因此不应理解为对本
发明总的技术方案限定，一些在技术人员看来，不偏离本发明构思的非实质性增加或改动，
例如以外形的简单改变或成型方法的简单改变或替换，均属本发明保护范围。
实施例1：
将采购的各种合格原料除铁后按重量配比如下：
原料名称 粒度 重量百分比（wt%）
稳定氧化锆 3~8mm 40.0
40~70目 14.0
100~180目 6.0
300~500目 13.0
电熔刚玉 1~3mm 10.0
40~70目 3.8
100~180目 2.5
300~500目 4.0
羽状多晶硅 ≤1μm 3.0
SiC微粉 ≤5μm 3.2
减水剂 0.46
防爆纤维 0.04
硅溶胶（外加） 3.8
生产时，按配比表配好的稳定氧化锆和电熔刚玉颗粒原料预混10分钟，加入按配比表
配好的各种原料，混练15分钟，加入3.8wt%硅溶胶再混均，倒入模具制成直径160mm的球形，
放置24小时后脱模，再在恒温恒湿环境中养护48小时，放入窑中按50℃/h的升温速度升到
800℃保温4小时，再按50℃/h的降温速度冷却到室温，即得本发明产品钢包挡渣球，其成份
含量按重量百分比为： ZrO2 68.89wt%、 Al2O3 22.06wt%、SiO2 3.77wt%、SiC 3.14wt%，球
体比重4.81 kg/cm3。
某钢厂150吨钢包，冶炼船板钢，钢包水口直径50mm，在连浇第一炉时，应用本发明
产品钢包挡渣球，钢包温度1680℃，浇注时间80分钟，浇注结束时挡渣成功，挡渣球浸蚀厚
度5.5mm。
实施例2：
经吸铁石除铁后，原料中全铁含量还有0.79%，再进行酸洗除铁，将稳定氧化锆和刚玉
的颗粒和细粉放入45%（w/w)的盐酸溶液中浸泡15小时，取出后，水洗、烘干备用。
将除铁后的各原料按重量配比如下：
原料名称 粒度 重量百分比（wt%）
稳定氧化锆 3~8mm 31.0
40~70目 14.0
100~180目 7.0
300~500目 15.2
电熔刚玉 1~3mm 15.5
40~70目 4.0
100~180目 2.8
300~500目 3.0
羽状多晶硅 ≤1μm 4.27
SiC微粉 ≤5μm 3.0
减水剂 0.2
防爆纤维 0.03
硅溶胶（外加） 6.5
生产时，按配比表配好的稳定氧化锆和电熔刚玉颗粒原料预混10分钟，加入按配比表
配好的各种原料，混练15分钟，加入6.5wt%硅溶胶再混均，倒入模具制成直径150mm的球形，
放置24小时后脱模，再在恒温恒湿环境中养护48小时，放入窑中按40℃/h的升温速度升到
800℃保温3小时，再按40℃/h的降温速度冷却到室温，即得本发明产品钢包挡渣球，其成份
含量按重量百分比为： ZrO2 63.84wt%、 Al2O3 25.95wt%、SiO2 5.05wt%、SiC 2.94wt%，球
体比重4.43 kg/cm3。
某钢厂90吨钢包，冶炼齿轮钢，钢包水口直径45mm，连铸时，应用本发明产品钢包
挡渣球，钢包温度1620℃，浇注时间50分钟，浇注结束时挡渣成功，挡渣球浸蚀厚度3.5mm。
实施例3：
将采购的各种合格原料除铁后按重量配比如下：
原料名称 粒度 重量百分比（wt%）
稳定氧化锆 3~8mm 34.0
40~70目 14.0
100~180目 6.2
300~500目 16.0
电熔刚玉 1~3mm 12.0
40~70目 4.2
100~180目 3.0
300~500目 3.0
羽状多晶硅 ≤1μm 5.0
SiC微粉 ≤5μm 2.04
减水剂 0.5
防爆纤维 0.06
硅溶胶（外加） 3.5
生产时，按配比表配好的稳定氧化锆和电熔刚玉颗粒原料预混10分钟，加入按配比表
配好的各种原料，混练15分钟，加入3.5wt%硅溶胶再混均，倒入模具制成直径150mm的球形，
放置24小时后脱模，再在恒温恒湿环境中养护48小时，放入窑中按50℃/h的升温速度升到
800℃保温2小时，再按30℃/h的降温速度冷却到室温，即得本发明产品钢包挡渣球，其成份
含量按重量百分比为： ZrO2 66.65wt%、 Al2O3 22.97wt%、SiO2 5.97wt%、SiC1.84wt%，球体
比重4.20 kg/cm3。
某钢厂100吨钢包，冶炼轴承钢，钢包水口直径50mm，连铸时，应用本发明产品钢包
挡渣球，钢包温度1570℃，浇注时间55分钟，浇注结束时挡渣成功，挡渣球浸蚀厚度3.2mm。
本发明挡渣球的形状可采用常用的圆球形、锥形或椭圆形均可。