近年来,随着国家建设对钢需求量的增大,连铸钢生产的效率要求也逐渐提高,对滑动水口等钢包生产设备的性能要求也越来越高。滑动水口是钢包系统的重要组成部分,主要分为上、下水口两部分,是将钢包内的钢水稳定、安全注入中间包的关键设备。水口的质量直接影响到钢水连铸生产的效率。高质量的水口材质应具有高强度以及优良的抗热震能力,水口内部流道的结构直接影响钢水的冲击效果,进而影响水口的质量。目前,生产连铸用的水口多为纯氧化锆材质,在高强度的钢水生产中性能表现一般,针对这一问题,基于当前国内外氧化锆基复合材料的研究,本文主要通过改进水口材质以及优化内部结构两条途径提高水口的质量。主要研究内容包括:(1)基于微纳米颗粒复合与功能设计的物理性匹配以及化学性匹配理论,设计并制备钼纤维-氧化锆二元复合陶瓷,研究了钼纤维添加量对复合陶瓷性能的影响。结果表明,与纯Zr02陶瓷相比,添加一定量的钼纤维能够提高Zr02陶瓷的力学性能,并改善其抗热震性能,其抗弯强度最大值比未添加钼纤维的Zr02陶瓷材料提高了 45%左右。钼纤维含量为2%时,钼纤维-氧化锆复相陶瓷的力学性能和抗热震性能达到最佳。(2)基于钼纤维-氧化锆二元复合陶瓷研究的成果,为继续改善陶瓷的力学性能以及抗热震性能,引入了第三添加相TiN,制定了氧化锆基三元复系陶瓷的研究方案。采用干压成型-高温无压烧结工艺制备了 GTZ氧化锆基陶瓷,并研究了 TiN含量对氧化锆基陶瓷性能的影响。研究结果表明,与未添加TiN材料的钼纤维-氧化锆陶瓷相比,加入TiN进一步提高了复合陶瓷的力学性能,其抗热震性能也略有改善。在三元复合材料干压成型中,遇到了部分配比成型质量差问题,为了进一步研究制备工艺对三元复系陶瓷的影响,采用真空热压烧结工艺制备RTZ氧化锆基陶瓷,研究TiN含量、烧结温度以及成型压力对RTZ陶瓷性能的影响。研究结果表明,热压烧结工艺能够提高陶瓷的强度、抗热震性能等,适当的烧结温度以及成型压力能够进一步提高RTZ陶瓷的综合性能参数。研究TiN添加量为9%的RTZ陶瓷,对热压工艺参数进行优化,以1600 ℃为终烧温度,在30MPa的成型压力下得到的RTZ陶瓷的综合性能最佳。(3)基于CFD理论,运用FLUENT软件完成了水口结构优化的数值分析,以某实际工况环境为仿真条件,确定分析设置方法和变量参数,得到该工况下的优化结构和尺寸。在水口结构优化的基础上,计算毛坯尺寸并选择模具材料,设计阴模、模冲及芯杆等水口模具零件,并进行装配。