連鑄用浸入式水口的進(jìn)展及展望

汪旭崔小朝林金保

（太原科技大學(xué)，山西太原030024）

連鑄用浸入式水口的進(jìn)展及展望

汪旭崔小朝林金保

（太原科技大學(xué)，山西太原030024）

介紹了浸入式水口的結(jié)構(gòu)和發(fā)展及其本質(zhì)的發(fā)展歷史過程，著重介紹了不同時期不同材質(zhì)浸入式水口的優(yōu)缺點(diǎn),并對浸入式水口的發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析。

浸入式水口連鑄發(fā)展

連鑄技術(shù)經(jīng)歷幾十年的發(fā)展，如今歐美國及日本等國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全連鑄。我國鋼鐵企業(yè)的連鑄比已經(jīng)達(dá)到了95%以上，這標(biāo)志著我國的鋼鐵技術(shù)已接近世界先進(jìn)的工藝水平。浸入式水口是連鑄生產(chǎn)中的三大關(guān)鍵性功能材料之一，其使用效果直接影響著連鑄技術(shù)和鋼坯質(zhì)量。浸入式水口的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)不斷改善及工藝不斷優(yōu)化，目的是其朝著高強(qiáng)度、長壽命、耐侵蝕的方向發(fā)展，也是我國連鑄技術(shù)走向世界先進(jìn)水平的必經(jīng)之路。本文主要闡述浸入式水口的發(fā)展過程和目前使用的浸入式水口的優(yōu)化。

1 浸入式水口在連鑄中的位置、作用及其制作要求

浸入式水口是將水口浸入到結(jié)晶器內(nèi)的鋼液面下，作為澆注的管道，是鋼水從中間包進(jìn)入結(jié)晶器的通道,如圖1所示［1］。它在保護(hù)鋼流、防止鋼水二次氧化、促進(jìn)夾雜物上浮的同時,還改變著鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的流動狀態(tài)，同時，又能提高鑄坯質(zhì)量、防止卷渣等作用，對提高鋼的質(zhì)量和連鑄的生產(chǎn)能力起著重要的作用。浸入式水口必須滿足的基本條件是水口直徑大小要能提供足夠的鋼液通量；足夠高的強(qiáng)度和硬度；水口必須有足夠的壁厚（最小10 mm），以確保其具有較長的使用壽命；耐沖刷、耐腐蝕、對鋼水污染少、抗熱震性好。

2 浸入式水口結(jié)構(gòu)的發(fā)展

浸入式水口結(jié)構(gòu)分為常用結(jié)構(gòu)(單層式)和特殊結(jié)構(gòu)。常用結(jié)構(gòu)是根據(jù)安裝的方式不同又分為內(nèi)裝式和外裝式，如圖2所示。隨著連鑄技術(shù)的發(fā)展，對鋼材質(zhì)量要求的提高以及防止浸入式水口結(jié)瘤問題而采取的措施，使浸入式水口的結(jié)構(gòu)發(fā)展成了許多特殊的形式。根據(jù)浸入式水口不同部位對材質(zhì)的不同要求，分為雙層結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)見圖3。根據(jù)水口型式，有單孔直筒型、雙側(cè)孔和箱型三種。單孔直筒型浸入式水口一般用于小方坯的澆鑄（方坯連鑄用浸入式水口一般采用的是四孔浸入式水口澆鑄）；雙側(cè)孔水口一般用于板坯澆鑄；箱型浸入式水口一般用于薄板坯澆鑄。根據(jù)浸入式水口底部結(jié)構(gòu)對板坯結(jié)晶器內(nèi)的鋼液流場和溫度場的影響，把浸入式水口劃分為平底結(jié)構(gòu)浸入式水口、凹底結(jié)構(gòu)浸入式水口、凸底結(jié)構(gòu)浸入式水口。根據(jù)水口的形狀有漏斗形水口、喇叭形水口、牛鼻子水口、扁水口、倒Y形水口等?，F(xiàn)階段從水口結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向發(fā)展的水口也有很多，例如，吹氫氣防堵水式口、隔熱狹縫式水口、內(nèi)孔階梯狀水口。

圖1 浸入式水口在連鑄生產(chǎn)中的位置

圖2 浸入式水口的常用結(jié)構(gòu)

圖3 浸入式水口的多層結(jié)構(gòu)

3 浸入式水口材質(zhì)的發(fā)展

3.1 熔融石英質(zhì)浸入式水口

從20世紀(jì)60年代到70年代中期,是各種材質(zhì)用作浸入式水口的探索階段，在此階段有黏土質(zhì)、低鋁黏土質(zhì)、熔融石英質(zhì)、黏土石墨質(zhì)、高鋁石墨質(zhì)等，其中，以泥漿澆注成型熔融石英質(zhì)浸入式水口為主。

采用熔融石英質(zhì)浸入式水口的優(yōu)點(diǎn)：石英熱膨脹系數(shù)小、抗熱震性好、耐沖刷、高溫時黏度大、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性低、電導(dǎo)率低，能夠滿足澆鑄開始時的溫度急劇變化，滿足普碳鋼多爐連鑄操作的要求。其缺點(diǎn)：在1 100℃以上長期使用時，會發(fā)生向方石英的轉(zhuǎn)變（即高溫析晶），促使制品產(chǎn)生裂紋和剝落；不能澆鑄含錳較高的特殊鋼種，只能澆鑄普碳鋼和低錳鋼，是由于石英與鋼液中的錳發(fā)生反應(yīng)形成低熔物，而使水口侵蝕加劇，使用壽命急劇下降。

3.2 鋁碳質(zhì)浸入式水口

從20世紀(jì)70年代末到80年代初，基本上以等靜壓成型的鋁碳質(zhì)浸入式水口為主。主要以石墨、剛玉、熔融石英、酚醛樹脂等有機(jī)物為結(jié)合劑而制成的。我國于1974年研制成功了高鋁—石墨質(zhì)浸人式水口。1988年，中國從日本引進(jìn)了技術(shù)和設(shè)備，開始建成國內(nèi)第一條鋁碳質(zhì)水口生產(chǎn)線，從此A12O3—C浸人式水口得到廣泛應(yīng)用。

采用鋁碳質(zhì)浸入式水口優(yōu)點(diǎn)：解決了錳含量較高鋼種的澆鑄問題；抗熱震性好、耐鋼水沖刷性強(qiáng)、對鋼水污染少、長時間使用引起的溫度變化?。?，3］。其缺點(diǎn)：耐熱沖擊性低，對保護(hù)渣的耐侵蝕性差；導(dǎo)熱性差；易于產(chǎn)生掛渣和氧化鋁附著而引起水口的堵塞；并且由于新連鑄技術(shù)的采用，澆鋼時的溫度高，拉速高，保護(hù)渣粘度較低，所以保護(hù)渣對浸入式水口的侵蝕加劇，隨后有了復(fù)合浸入式水口（鋁碳-鋯碳質(zhì)浸入式水口）的產(chǎn)生。

3.3 鋁碳－鋯碳質(zhì)浸入式水口和防堵塞式水口

從20世紀(jì)80年中期到現(xiàn)在，浸入式水口向材質(zhì)復(fù)合化和水口結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向發(fā)展。水口的復(fù)合化主要指的是鋁鋯碳質(zhì)浸入式水口，即本體主要采用Al2O3－C質(zhì)、渣線部位采用ZrO2－C質(zhì)［4］。

采用鋁碳鋯－碳質(zhì)浸入式水口優(yōu)點(diǎn)：具有優(yōu)良的抗熱沖擊性和抗剝落性；具有較高的機(jī)械強(qiáng)度及耐磨性以抵抗鋼水的沖擊；具有優(yōu)良的抗鋼水及抗渣侵蝕性能，所以使用壽命長。但由于鋁鋯－碳復(fù)合浸入式水口易堵塞，澆鑄鋁、鋁－硅鎮(zhèn)靜鋼時易產(chǎn)生水口結(jié)瘤，甚至導(dǎo)致水口堵塞和澆鑄中斷，嚴(yán)重影響到連鑄的生產(chǎn)效率和鋼的質(zhì)量，所以又有了防堵塞的一系列浸入式水口。

現(xiàn)階段的防堵塞式水口一般從兩個方面來改進(jìn)，一方面，是通過改進(jìn)材質(zhì)獲得防堵塞式水口；另一方面，是通過優(yōu)化浸入式水口的結(jié)構(gòu)來防止浸入式水口結(jié)瘤。通過改變材質(zhì)來防止堵塞，主要分兩類，加入添加物改進(jìn)水口材質(zhì)和開發(fā)新的水口材質(zhì)。加入添加劑，目的是使其與Al2O3反應(yīng)生成低熔點(diǎn)化合物或使生成高黏度玻璃相，從而抑制氧化鋁附著。添加物一般為含Ca的化合物、氟化物、硼化物、BN、B4C等。開發(fā)新的水口材質(zhì)而言，現(xiàn)階段開發(fā)的新型材質(zhì)ZrO2－CaO－C、CaO－TiO2－C系、CaO－TiO2－ZrO2－C系材質(zhì)等和SiC、B4C、Sialno系、AlN、BN等非氧化物材料，氧化物—非氧化物復(fù)合材料系統(tǒng)，除此之外還有無碳內(nèi)襯材質(zhì)系統(tǒng)。目前，比較成熟的主要產(chǎn)品是無碳A12O3－Si02系［5，6］和MgA12O4或MgA12O4－C（低碳）系內(nèi)襯［7，8］。其主要優(yōu)點(diǎn)有：防止氧化鋁、金屬、碳的沉積;澆注中碳鋼時避免產(chǎn)生裂紋（具有低的熱導(dǎo)率）；澆注高氧鋼時具有高的抗侵蝕性。但還不能滿足高潔凈鋼冶煉的需要，國內(nèi)現(xiàn)階段正在開發(fā)無硅無碳內(nèi)襯材質(zhì)的浸入式水口，而無硅無碳內(nèi)襯材質(zhì)的研究正在研究之中，因此無硅無碳浸入式水口內(nèi)襯材質(zhì)水口的開發(fā)具有特別重要的意義。日本最近開發(fā)并試用了無硅無碳的浸入式水口內(nèi)襯材料，通過內(nèi)壁復(fù)合尖晶石材料，實(shí)機(jī)澆鑄試驗(yàn)證明Al2O3結(jié)瘤現(xiàn)象明顯降低了，澆鑄后內(nèi)壁工作表面平滑，材料具有良好的抗熱震性，由于該種材料從根本上減少了氧化鋁的來源，因此是一種非常有前景的防氧化鋁堵塞內(nèi)襯材料。

目前，我國石英質(zhì)水口的使用壽命為4～5次，鋁碳質(zhì)水口的使用壽命為5～7次，鋁碳—鋯碳質(zhì)復(fù)合水口的使用壽命為6～9次，所以開發(fā)的防堵塞使水口很有必要，例如ZrO2－CaO－C材質(zhì)的浸入式水口在武漢鋼鐵集團(tuán)、天津大無縫等廠家成功應(yīng)用［9］，因此，應(yīng)加快研究開發(fā)高性能，長壽命的浸入式水口的步伐，加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代。

圖4 浸入式水口的內(nèi)腔設(shè)計圖

4 現(xiàn)階段生產(chǎn)用的浸入式水口及發(fā)展

4.1 快換浸入式水口

快換浸入式水口可在特殊的更換裝置下經(jīng)過1 s左右的時間內(nèi)完成。它可以在不斷流、不減速、不更換中間包的正常生產(chǎn)狀態(tài)下,安全、穩(wěn)定地以新的水口更換已損壞的水口。新型快速更換水口具有降低生產(chǎn)成本、改善使用條件、簡化操作程序、提高提高鑄坯收得率、鋼材質(zhì)量等特點(diǎn)，使用效果良好，因此，可以提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，這些都是鋼鐵生產(chǎn)廠家始終追求的目標(biāo)。

當(dāng)需要更換浸入式水口時,將新的水口安裝在中間包底部的機(jī)架上,在液壓缸的驅(qū)動下,水平推動浸入式水口到滑動水口的垂直軸線位置,同時替換舊的浸入式水口(以上動作都必須在鋼水澆鑄的過程中完成)，要保證塞棒與上水口的垂直安裝，以保證結(jié)晶器液面的穩(wěn)定［10］，其更換裝置和安裝過程如圖5、6所示［11］。

4.2 薄板坯連鑄用浸入式水口

圖5 結(jié)晶器水口快換裝置

圖6 更換浸入式水口

薄板坯連鑄是當(dāng)今一項(xiàng)成熟、高效的連鑄新技術(shù)，而浸入式水口又是連鑄技術(shù)的三大關(guān)鍵性功能材料之一?，F(xiàn)階段的薄板坯連鑄連軋技術(shù)水平較高，鋼坯拉速高，一般能達(dá)到3～6 m/min。薄板坯浸入式水口由水口碗部、水口本體和水口渣線組成。由于受結(jié)晶器限制，內(nèi)腔結(jié)構(gòu)必須保證結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動穩(wěn)定，水口壁薄。為了滿足長時間連鑄的要求，必須要求水口碗部材料的抗熔鋼沖刷性好，高溫強(qiáng)度高;水口本體的材質(zhì)強(qiáng)度高、抗沖刷性、抗氧化性強(qiáng)、抗熱震性好、使用安全可靠；渣線的抗侵蝕性好，以及熱震穩(wěn)定性好；水口整體的烘烤性能好，涂層抗氧化性能優(yōu)良，無烘烤氧化現(xiàn)象和剝落現(xiàn)象發(fā)生。

薄板坯連鑄連軋用浸入式水口的使用壽命主要取決于渣線的侵蝕情況，要求平均侵蝕速率小于0.07 mm/min。目前，水口渣線部位通常采用鋯碳料，主要是氧化鋯的化學(xué)和物理的穩(wěn)定性較好，但由于是易被氧化，降低了鋯碳的抗侵蝕性，現(xiàn)在的趨勢是研制一種添加劑以提高鋯碳的抗氧化性能，從而提高渣線的抗侵蝕性，例如，硼化鋯能夠提高其氧化性能［12］，或者運(yùn)用復(fù)合渣線設(shè)計來提高渣線的抗侵蝕性，例如，在水口渣線內(nèi)側(cè)再復(fù)合一多孔A12O3－C層,設(shè)計制造了A12O3－C/ZrO2－C復(fù)合渣線。

4.3 方坯連鑄用浸入式水口

方坯連鑄用浸入式水口一般采用的是四孔浸入式水口澆注，因?yàn)樗梢杂行У亟档丸T坯的中心偏析［13］，改善鑄坯表面質(zhì)量，如圖下頁7所示。在攀鋼得到應(yīng)用［14］，因此，大方坯連鑄用浸入式水口有向多孔方向發(fā)展的趨勢。其設(shè)計需要考慮到幾個因素：水口側(cè)孔傾角，浸入式水口的出口傾角可分為向上的傾角、向下的傾角和水平角三類；出孔面積比（K＝∑S側(cè)/S中）；水口內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，在設(shè)計水口時，要考慮水口底部和水口內(nèi)壁形狀；出孔形狀，水口出孔的形狀主要有長方形、正方形、圓形和跑道形四種；出孔孔數(shù)，在K一定的情況下，孔數(shù)的多少，決定了流股出流速度。多孔浸入式水口的開孔數(shù)也必須考慮到水口的使用壽命問題。

5 結(jié)語

隨著連鑄工藝的進(jìn)步，水口結(jié)構(gòu)向復(fù)雜化方向發(fā)展，浸入式水口的材質(zhì)不斷向高級化、復(fù)合化的方向發(fā)展?？傊?，只有同時對水口材質(zhì)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，才能進(jìn)一步提高浸入式水口的性能和壽命，更好滿足連鑄生產(chǎn)的需要。

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圖7 四孔水口機(jī)構(gòu)示意圖

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（編輯：苗運(yùn)平）

Abstract：The paper introduces the development of the construction and materials of the submerged nozzle in the continuous casting process.It places emphases on the advantage and shortcomings of submerged nozzle of different materials at different phases.It analyses development trend of submerged nozzle.

Key words：submerged nozzle,continuous casting,development

Process and Prospect of the Submerged Entry Nozzle for Continuous Casting

WANG XuCUI XiaozhaoLIN Jinbao
（Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,China）

TG249.7

A

2011－01－06

1672-1152（2011）01-0001-04

汪旭（1986-），男，現(xiàn)為太原科技大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院工程力學(xué)碩士生。Tel：15135153292，E-mail：wx861119@126.com