浸入式水口和塞棒.docx

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1、连铸结晶器是连铸机的关键部件之一，它的形状与尺寸，直接关系到浸入式水口和塞棒的设计。在连铸耐火材料生产厂，在设计浸入式水口和塞棒时，往往要根据连铸结晶器的形状、大小和长度，确定浸入式水口插入结晶器局部的直径和长度；确定出钢口的数量、形状和尺寸。还要根据结晶器振幅大小、渣线层厚度和双渣线操作位置确定浸入式水口的渣线位置和长度。为了控制浸入式水口进入结晶器的钢水流量，还要确定浸入式水口的碗部（水口岗）形状和与其匹配的塞棒棒头。最后还要根据钢厂连铸浇注的钢种、钢水处理的方式和连浇时间，确定浸入式水口和塞棒的材质。浸入式水口的设计1漫入式水口碗部浸入式水口碗部，如图bA和B所示。浸入式水口头部的外部形

2、状有两种形式：图I-A为圆锥体;图I-B为圆柱体与圆锥体的组合。为了表达方便：命名A为水口圆锥体或圆柱体上口面外径，即浸入式水口头部的外形尺寸，B为碗部的开口度，C为碗部圆弧与水口流钢中孔相切处的直径，该直线称为喉线，D为水口圆锥体终端外径，R为水口碗部圆弧半径，h为圆锥体高度，hl为喉线深度，h2为水口碗部圆柱体高度，h为水口圆柱体与圆锥体的总高度。图1浸入式水口水意图对于大多数连铸耐火材料厂而言，要运用水力学模型和复杂的数学计算来设计浸入式水口，是一件非常困难的事。因此，在浸入式水口的设计过程中，使用实践经验很重要，也很有效。作者认为浸入式水口碗部的根本尺寸，源于水口流钢中孔的直径，一切从

3、它开始。首先要根据钢厂钢包的实际容量、中间包容量和流数、连浇炉数和单炉浇注时间等诸多因素，确定水口流钢中孔的直径Co在国内，大圆坯和板坯连铸所用的浸入式水口流钢中孔的直径C,大多在5085mm之间，其他类型为5030mm,小方坯连铸那么更小。浸入式水口的喉线深度hl,无论流钢中孔的直径C值在什麽范围，除小方坯连铸外，其喉线深度一般均在4060mm之间。确定了水口的喉线深度，也就确定了浸入式水口碗部上口的基准面。浸入式水口碗部圆弧半径R,据统计半径R值大多数落在4070mm范围内，其中以半径R值等于50mm的为主。水口碗部的圆弧与水口碗部上口的基准面，可以相切或相割。在平面图上显示出两个切点或割

4、点，即碗部的开口度B在国内，浸入式水口碗部的开口度B值般在90140mm之间，大多数为115mm或125mm。而浸入式水口头部的外形尺寸A等于碗部的开口度B加上（2045mm）,即：A=B+（2045mm）具体应加多少为好，待整个浸入式水口设计完后，平衡而定，否那么会出现头重脚轻的现象。在浸入式水口喉线深度hl值不变的条件下，水口碗部的开口度B值，随着水口碗部圆弧半径R增大而减少；在水口碗部的开口度B值保持不变的情况下，水口喉线深度hl值随水口碗部圆弧半径R扩大而增加。浸入式水口圆锥体终端，也就是水口头部的下口，其外径为D通常D值等于水口流钢中孔的直径C加上（4075mm）,即：D=C+（40

5、75mm）由此可以推定，水口头部的下口的壁厚为（4075mm）/2,即壁厚为2037.5mmo在一般情况下此值应不小于25mm为好。但此处的壁厚，最终还要和浸入式水口插入结晶器局部的水口壁厚，协调一致。关于浸入式水口头部的高度，如图LA所示，圆锥体高度h值一般在150260mm之间；而在图I-B中,水口圆柱体与圆锥体的总高度h值在140300mm范围内，其中圆柱体高度h2值落在2080mm圈内，而大多数取值为3050mm2浸入式水口尾部设计所谓浸入式水口尾部，即浸入式水口插入结晶器的局部。该局部的外形尺寸完全取决于结晶器窄面的大小，如图2所示。目前，在国内，与浸入式水口配套使用的结晶器主要有：

6、水口尾部结晶器图2水口尾部在结晶器中的位置1）小方坯连铸用结晶器，尺寸为120方150方；2）大方坯、矩形坯连铸用结晶器，尺寸在160380mm之间；3）圆坯连铸用结晶器，尺寸为l50mm310mm;4）板坯连铸用结晶器，窄面尺寸在140mm300mm之间。在设计浸入式水口尾部时，要考虑到水口尾部插入结晶器后，要给结晶器窄面预留足够的空间，以保证在结晶器中的保护渣有良好的流动性，并不会在结晶器窄面产生结壳和搭桥现象。一般来说，在结晶器窄面各预留30mm40mm即可。由此可见，可大致确定浸入式水口尾部的外径为:水口尾部的外径=（结晶器窄面尺寸）一2X（3040mm）问题到此并未结束，还要根据水口

7、尾部的壁厚和水口流钢中孔的直径尺寸，修正水口尾部的外径尺寸。水口尾部的壁厚可用下式表示：水口尾部壁厚=（水口尾部外径一流钢中孔直径）2目前国内浸入式水口尾部的壁厚一般在1730mm之间，建议选择2025mm为好。在次根底上可以修正水口尾部的外径，即：修正后水口尾部外径=（流钢中孔直径）+2（2025mm）在结晶器尺寸允许的条件下，水口尾部外径还可以适当增大一些。这对延长水口的使用寿命，有一定的作用。3漫入式水口出钢口的设计目前在钢厂，使用的浸入式水口的出钢口类型，主要有以下几种，如图3所示：图中A为直通孔型,主要用于小断面结晶器。在通常情况下，出钢口的内径要比水口流钢中孔直径C小5mm左右。图

8、中B和C分别为带有长方形和圆形侧孔的出钢口。根据以往的经验，两个侧孔的截面积应稍大于或等于两倍水口流钢中孔的截面积。这样钢流稳定，扩径速度缓慢。对于侧孔的倾角，有水平方向的、向上倾的和向下倾的，倾角在153O度。目前向下倾15度的较多。水口侧孔底部的厚度，一般控制在2540mm之间。直逋孔长方形侧孔浸入式水口出钢口类型浸入式水口出钢口的数目，在连铸工艺需要时，还可以由两个侧孔增加到四个侧孔。这样可以改善钢水在结晶器中的流动状态，并可降低钢水卷渣的可能性。浸入式水口出钢口的形式，除上述几种以外，还有扁矩形水平槽状出钢口。这种形状的出钢口，在国内有，但极少见。直通孔长方形侧孔4浸入式水口渣线确实定

9、图4浸入式水口渣线位置浸入式水口渣线位置，由浸入式水口插入结晶器内的保护渣位置确定，如图4所示。处在保护渣位置的水口局部，由于受到结晶器振动频率和振幅的影响，该局部反复交替的受到保护渣溶液和钢水的侵蚀，并在该处形成一个宽度在5060mm的月牙状的凹槽。考虑到多渣位操作和平安因素，水口的渣线高度h设计为：渣线高度h=3x(5060mm)即渣线高度为150180mm.国内浸入式水口的渣线高度在14020Omm之间。这可以根据钢厂的具体情况而定。水口渣线层的厚度b-般在815mm范围内，对于薄壁水口而言，其渣线层的厚度即水口壁厚。5浸入式水口长度确实定浸入式水口长度的计算：当中间包处于正常位置时，见

10、图5所示。水口的长度从中间包内，高于座豉外表IOmm计起，直至插入结晶器内的水口末端为止。应该注意的是，所设计的浸入式水口的长度，在中间包上升到最高位置时，水口的末端必须高于结晶器盖板。否那么中间包从水口烘烤位置移动到浇注位置时，易碰短水口。图5浸入式水口的位置总之，在浸入式水口的设计过程中，必须与钢厂的有关技术人员密切结合，根据钢厂的实际情况和操作习惯来设计，才能防止或少走弯路，设计出符合钢厂需要的经济实用的产品。浸入式水口与塞棒的配合1塞棒棒头的设计在连铸浇注过程中，中间包内的钢水经由浸入式水口进入结晶器，而钢水的流量大小，那么由与水口碗部相匹配的塞棒来控制。在连铸开浇之前，塞棒棒头的圆弧

11、面与水口碗部的圆弧面相接触，它们之间的间隙为零；当塞棒向上抬起的i瞬间，在塞棒棒头与水口碗部之间产生了间隙，钢水进入水口的流钢中孔，并从水口的出钢口注入结晶器，连铸浇注就开始了。由此可见，塞棒向上抬升的距离的多少，直接控制着塞棒棒头与水口碗部之间的间隙大小，进而控制着钢水进入浸入式水口的流量的大小。显而易见，塞棒棒头与水口碗部之间的间隙距离的变化，与它们本身的圆弧曲线半径的大小有关。目前，在国内连铸用塞棒棒头的形状，有以下几种，如图6所示：图6塞棒棒头形状示意图1）图6中A,为半圆头形，半径R值较大，通常在60mm以上。2）图6中B,棒头外形由两个半径为Rl和R2相切组成。3）图6中C,棒头外

12、形由两个半径为RI和R2与直线相切组成。4）图6中D,棒头外形由两个半径为Rl、R2和R3相切组成。在上述图形中，棒头尖的圆弧面半径Rl的值在1250mm之间，对于大多数小断面方坯和圆坯来说，Rl的值在1235mm范围内；对于大板坯那么在3550mm之间。棒头头体的圆弧面的半径R2的值在12020Omm之间，此值的大小与塞棒棒身相结合，决定了棒头头体形状的胖与瘦。而塞棒棒身的直径一般在10015Omm之间。棒头头体的圆弧面的半径R3要与R2相切，其值比R2大得多。塞棒棒头的高度通常在60120mm范围内。塞棒总长度确实定：从插入中间包水口碗部的塞棒棒头尖位置算起，直至穿出中间包盖50IoOmm

13、处为止。2塞棒种类目前国内所用的与浸入式水口匹配的整体塞棒，主要有以下两种类型：1）组合型塞棒即棒身为高铝质或堇青石质袖砖，与铝碳质或其它材料的棒头组合。见图7,A所示。2）整体塞棒即棒身与棒头直接成型在一起，成为体。目前常见的铝碳质整体塞棒，其棒头材质有高铝碳质，铝错碳质和镁碳质或其它材质。塞棒结构有两种：盲头型，棒头为实心的。见图7,B所示。吹氧型，即在塞棒头部带有吹氢孔。见图7,C所示。图7塞棒分类整体塞棒材质一般为铝碳质，为了延长塞棒的使用寿命，可在其渣线和塞棒头部份复合含Zro2、ZrO2-C质、MgO-C质等材料。近几年来，A12O3C质塞棒在主要成份方面，即A12O3的含量与以前

14、相比，提高了不少，从50%提高到70%左右，使用寿命更长。由于近几年来，国内大电炉兴建很多，由于钢种的需要，A12O3-C质棒身与MgO-C质棒头相组合的整体塞棒得到广泛使用。棒头中Mgo为7580%,C15-20%o浸入式水口材质的设计1铝碳质我国从1973年4月份后，开始制造浸入式水口，并用于连铸生产。当时的浸入式水口为组合式，即由中间包水口和浸入钢水局部的下水口组成。浸入式水口完全用熔融石英制成，该材质仅适用于连铸浇注普碳钢，表现出色，但不适用于浇注含镒较高的钢种和特殊钢种。为了适应我国连铸技术开展的需要，1975年下半年,研究开发了机压成型的铝碳质浸入式水口。1980年以后，出现用等静

15、压机生产的铝碳质浸入式水口。但浸入式水口是用低等级石墨和特级矶土制成的，使用的结合剂为焦油沥青，污染严重。目前，我国连铸技术和生产工艺已到达一个新的水平，多炉连浇和连浇时间及浇注钢种门类之多，创历史新高。在此形势下，连铸用耐火材料也得到了飞速开展，对原有的铝碳质浸入式水口的材质，进行了新的设计。目前，制造铝碳质浸入式水口所用的原料主要有：电熔白刚玉、板状刚玉、棕刚玉、尖晶石、氧化倍、高纯氧化镁、高纯石墨、特殊添加剂Al、Mg、SisB4C、SiC和氮化物等以及酚醛树脂结合剂等。根据连铸浇注的钢种和连浇炉数要求，将铝碳质浸入式水口中的A12O3和C的成分设计为四个等级:1) AI2O3为(40-

16、45)%；2) A12O3为(45-50)%)；3) AI2O3为(50-55)%；4) AI2O3为(5560)%。铝碳质浸入式水口中的C的成分，可以在（2530）%的范围调整。通常选用酚醛树脂结作为铝碳质浸入式水口的结合剂。铝碳质浸入式水口的技术指标，在以下范围内：显气孔率（1218）%,体积密度（2.353.15）g/cm3,耐压强度（2035）Mpa,抗折强度（614）Mpao铝碳质浸入式水口的结构，见图8-A。虽然铝碳质浸入式水口对钢水适应性强，使用寿命长。但也存着以下问题：1）在浇注含Al镇静钢和含Ti不锈钢时，易发生A12O3和TiO2堵水口现象，使连铸浇注中断，影响连铸生产正常

17、进行，且对铸坯质量有一定的影响。2）不耐侵蚀，长时间浇注会在渣线部位形成“缩颈现象”，甚至断裂。铝错碳质水口图8碳铝质浸入式水口分类2铝错碳质为了解决铝碳质浸入式水口不耐侵蚀的问题，研究开发了铝错碳浸入式水口，即在其港线部位复合层倍碳质材料，提高水口的抗侵蚀能力。渣线部位的ZrO2含量的多少，直接影响到水口的抗侵蚀能力。Zro2含量越高，那么抗侵蚀能力越大。浸入式水口渣线部位的ZrO2含量设计为三档：1) ZrO2含量(6570)%；2) Zro2含量(7075)%；3) ZrO2含量(75-81)%。浸入式水口渣线部位的C含量为(12-17)%。铝错碳浸入式水口的结构，见图7-B。水口本体技

18、术指标同铝碳浸入式水口，渣线部位技术指标为：显气孔率(1418)%,体积密度(3.253.75)g/cm3,耐压强度(2027)Mpa,抗折强度(68)Mpao3错钙碳质为了防止钢水中析出的A12O3附着在水口内壁上，引起水口的堵塞。可采用吹氧的方法解决水口的堵塞问题。吹氧铝碳质浸入式水口见图8C,其工作原理是：在浸入式水口本体与内孔体之间，有一条l2mm的环缝。本体是不透气的，而内孔体是透气的。在浇注时，通过安装在本体的吹氧管，向环缝吹入氮气，使氧气充满环缝，在一定压力下，通过内孔体，并在内壁形成一层气膜，防止钢水中的A12O3附着在内壁上，并被钢水带走，从而防止水口的堵塞。吹氢铝碳质浸入式

19、水口的防堵塞的效果虽然较好，但存在的问题是：吹氢强度很难掌握。吹氮量过大，那么易使铸坯出现皮下针孔，影响铸坯质量；吹量缺乏，那么浸入式水门仍会被堵塞。由于吹氮铝碳质浸入式水口还有许多缺乏之处，近年来又针对改良浸入式水口材质，即参加添加物和改变水口材质来，防止水口堵塞。目前主要使用倍钙碳防堵塞材料作为水口的内壁衬，其工作原理是，在浇注时，水口材料中的CaO、SiO2与钢水中析出的Al203生成低熔物，而随钢水冲刷掉。浸入式水口防堵塞层中的错钙碳含量设计为：1) Zr2O3(40-45)%；2) CaO(20-22)%；3) C(1822)%o不吹氧防堵塞浸入式水口的本体和渣线部位的材质同上，其结

20、构，见图7D,技术指标为：显气孔率(1518)%,体积密度(3.602.75)g/cm3,耐压强度(22-26)Mpa,抗折强度(57)Mpao4尖晶石质ZrO2-CaO-C质防堵塞浸入式水口，虽然防堵效果较好，但还存在一些问题。这是因为材料中的CaO与钢水中析出的A12O3反响，形成的化合物是多种多样的，并非都能形成低熔物所致。从铝碳质浸入式水口堵塞的原因来看，主要是由于水口材质中C和SiO2的存在造成的。因此，又研究开发了不含硅、碳的铝镁尖晶石材料制作的无碳无硅浸入式水口，即在水口内孔体上复合一层无碳无硅的尖晶石材料，防止铝碳质浸入式水口的堵塞。实践证明防堵效果较好。无碳无硅浸入式水口中的

21、防堵层的成分设计为：1A12O3(5565)%；2MgO(18-22)%。无碳无硅浸入式水口的结构，见图7D。技术指标为：显气孔率(1822)%,体积密度(2.602.65)g/cm3,耐压强度(20-26)Mpa。5高铝碳质随着连铸工艺的不断开展和完善，连铸多炉连浇水平得到极大的提高。而浸入式水口的使用寿命有限，并在使用过程中不能更换，限制了单只中间包最大化的多炉连浇。因此，使用快速更换水口装置，可以实现在单只中间包浇注过程中，快速更换次或屡次浸入式水口，从而提高了单只中间包的使用寿命，并取得较大的经济效益。快速更换装置用水口，由带有滑动面的上水口和浸入式水口组成，见图9所示。图9快速更换水

22、口在使用过程中，要求滑动面具有足够强度和耐磨性，还要求上水口碗部具有透气性。因此，对其使用的材质有特殊的要求，一般根据上水口的使用特性，将其透气层的材质设计为中铝质(相对于高铝质而言)：1)A12O3(55-70)%；2)C(1826)%。上水口透气层的技术指标为：显气孔率(1625)%,体积密度(2.402.60)g/cm3将快速更换用浸入式水口的滑动面的成分设计为高铝碳质，浸入式水口滑动面的技术指标为:显气孔率（1618）%,体积密度（2.802.85）g/cm3,抗折强度（1012）Mpa。快速更换用水口的本体或渣线部位的技术指标，可参考铝碳质和铝错碳质的技术指标。结语本文试图从结晶器的角度出发，来观察分析连铸用浸入式水口与结晶器之间的关系。对于连铸耐火材料生产厂而言，很少有人关注这个问题，很难想象结晶器与耐火材料之间有什麽关系，究其原因是人们习惯于按产品图生产制造，而不去思考产品图上的尺寸数据是如何确定的。本文的目的是要告诉大家，连铸结晶器与浸入式水口设计有着密切的关系，可以依据结晶器的大小,确定浸入式水口和与水口匹配的塞棒的相关尺寸及材质的选择。在浸入式水口的设计过程中，与钢厂有关人员紧密结合，可以设计出较完美的、实用的浸入式水口和塞棒。