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部分的直径和长度；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（水口窝）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 浸入式水口碗部 浸入式水口碗部，如图 1，A 和 B 所示。
2、浸入式水口头部的外部形状有两种形式：图 1-A 为圆锥体；图 1-B 为圆柱体与圆锥体的组合。 为了叙述方便：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，h1 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 浸入式水口示意图 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
3、者认为浸入式水口碗部的基本尺寸，源于水口流钢中孔的直径，一切从它开始。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 C。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 ，小方坯连铸则更小。 浸入式水口的喉线深度 h1，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
4、 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值一般在 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（20 45mm） 。具体应加多少为好，待整个浸入式水口设计完后，平衡而定，否则会出现头重脚轻的现象。在浸入式水口喉线深度 h1 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 h1值随水口碗部圆弧
5、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： DC （4075mm ） 。由此可以推定，水口头部的下口的壁厚为（40 75mm）/2，即壁厚为 2037.5mm。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部分的水口壁厚，协调一致。 关于浸入式水口头部的高度，如图 1-A 所示，圆锥体高度 h 值一般在 150260mm 之间；而在图 1-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 2080m
6、m 圈内，而大多数取值为 3050mm。 2 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部分。该部分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：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 150mm310mm； 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
7、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2 （30 40mm） 问题到此并未结束，还要根据水口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。在次基础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 （20 25mm） 在结晶器尺寸允许的条件下，水口尾部外径还可
8、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 浸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 1530 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。 图 3 浸入式水口出钢口
9、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。 4 浸入式水口渣线的确定 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部分，由于受到结晶器振动频率和振幅的影响，该部分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安全因素，水口的渣线高度 h 设计为：
10、 渣线高度 h 3（5060mm） 即渣线高度为 150180mm。国内浸入式水口的渣线高度在 140200mm 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 一般在 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 浸入式水口长度的确定 浸入式水口长度的计算：当中间包处于正常位置时，见图 5 所示。水口的长度从中间包内，高于座砖表面 10mm 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。否则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
11、，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，才能避免或少走弯路，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，则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；当塞棒向上抬起的一瞬间，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
12、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 R1 和 R2 相切组成。 3）图 6 中 C，棒头外形由两个半径为 R1 和 R2 与直线相切组成。 4）图 6 中 D，棒头外形由两个半径为 R1、R2 和 R3 相切组成。 在上述图形中，棒头尖的圆弧面半径 R1 的值在 1250mm 之间，对于大多数小断
13、面方坯和圆坯来说，R1 的值在 1235mm 范围内；对于大板坯则在 3550mm 之间。 棒头头体的圆弧面的半径 R2 的值在 120200mm 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 100150mm 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。 塞棒总长度的确定：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50100mm 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
14、，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，成为一体。目前常见的铝碳质整体塞棒，其棒头材质有高铝碳质，铝锆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。吹氩型，即在塞棒头部带有吹氩孔。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，Al2O3-C 质塞棒在主要成份方面，即 Al2O3 的含量与以前相比，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
15、内大电炉兴建很多，由于钢种的需要，Al2O3-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 75-80%，C 15-20%。 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部分的下水口组成。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，但不适用于浇注含锰较高的钢种和特殊钢种。 为了适应我国连铸技术发展的需要，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，出现用等静压机生产的铝碳质浸入式水口。但浸入式
16、水口是用低等级石墨和特级矾土制成的，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达到一个新的水平，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发展，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、氧化锆、高纯氧化镁、高纯石墨、特殊添加剂 Al、Mg、Si、B4C、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 Al2O3 和 C 的成分设计为四个等级： 1）Al2O3 为（40-45 ）% ；
17、2）Al2O3 为（45-50 ）% ） ； 3）Al2O3 为（50-55 ）% ； 4）Al2O3 为（55-60 ）% 。 铝碳质浸入式水口中的 C 的成分，可以在（25 30）% 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，在下列范围内： 显气孔率（1218）%，体积密度（2.353.15 ）g/cm3，耐压强度（20 35）Mpa，抗折强度（614）Mpa。 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。但也存着下列问题： 1）在浇注含 A1 镇静钢和含 Ti 不锈钢时，易发生 Al2O3 和 Ti
18、O2 堵水口现象，使连铸浇注中断，影响连铸生产正常进行，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。 图 8 碳铝质浸入式水口分类 2 铝锆碳质 为了解决铝碳质浸入式水口不耐侵蚀的问题，研究开发了铝锆碳浸入式水口，即在其渣线部位复合一层锆碳质材料，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，则抗侵蚀能力越大。 浸入式水口渣线部位的 ZrO2 含量设计为三档： 1）ZrO2 含量（65 70） % ； 2）ZrO2 含量（70 75） % ； 3）ZrO2 含量（75 81） % 。 浸
19、入式水口渣线部位的 C 含量为（12 17）% 。 铝锆碳浸入式水口的结构，见图 7-B。水口本体技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（20 27）Mpa，抗折强度（68 ）Mpa 。 3 锆钙碳质 为了防止钢水中析出的 Al2O3 附着在水口内壁上，引起水口的堵塞。可采用吹氩的方法解决水口的堵塞问题。吹氩铝碳质浸入式水口见图 8-C，其工作原理是：在浸入式水口本体与内孔体之间，有一条 1-2mm 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氩管，向环缝吹入氩气，使氩气充满环缝，在一
20、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 Al2O3 附着在内壁上，并被钢水带走，从而防止水口的堵塞。 吹氩铝碳质浸入式水口的防堵塞的效果虽然较好，但存在的问题是：吹氩强度很难掌握。吹氩量过大，则易使铸坯出现皮下针孔，影响铸坯质量；吹氩不足，则浸入式水口仍会被堵塞。 由于吹氩铝碳质浸入式水口还有许多不足之处，近年来又针对改进浸入式水口材质，即加入添加物和改变水口材质来，防止水口堵塞。 目前主要使用锆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 AlO生成低熔物，而随钢水冲刷掉。 浸入式水口防堵塞层中的锆钙碳含量设计为：
21、1）Zr2O3（4045）% ； 2）CaO（2022）% ； 3）C（18 22）% 。 不吹氩防堵塞浸入式水口的本体和渣线部位的材质同上，其结构，见图 7-D，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 ）Mpa 。 4 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 Al2O3 反应，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
22、，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防堵层的成分设计为： 1）Al2O3（5565）% ； 2 MgO（1822）% 。 无碳无硅浸入式水口的结构，见图 7-D。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发展和完善，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
23、速更换水口装置，可以实现在单只中间包浇注过程中，快速更换一次或多次浸入式水口，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）Al2O3（5570）% ； 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
24、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（10 12）Mpa 。 快速更换用水口的本体或渣线部位的技术指标，可参考铝碳质和铝锆碳质的技术指标。 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。
