鋼包滑動水口機構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)狀

孫繼華

(安陽鋼鐵股份有限公司 河南安陽455004)

1 前言

1884年，美國人德·德·路易斯申請了滑動水口專利，但直到1964年在前西德本特勒鋼廠變?yōu)楝F(xiàn)實之前一直靠塞棒系統(tǒng)維持著鋼水節(jié)流，這可能是因為當(dāng)時的機械制造和耐火材料技術(shù)的局限及人們的傳統(tǒng)觀念影響的緣故。也就是說，20世紀(jì)70年代以前，鋼包的鋼流控制幾乎都用塞棒裝置，70年代以后逐漸用滑動水口取代。目前，滑動水口機構(gòu)形式多樣，但耐材組成基本相同。上水口和上滑板是固定在機構(gòu)里，下滑板和下水口安裝在拖板里，可以左右移動，上下滑板內(nèi)孔重合時水口開度最大，不重合時水口關(guān)閉?；瑒铀谕习褰柚谝簤焊鬃笥乙苿?，下滑板與上滑板用氣體彈簧壓緊，使移動過程中滑板不產(chǎn)生間隙，防止發(fā)生滑板漏鋼。

鋼包滑動水口機構(gòu)是控制連鑄澆鋼過程鋼水流量的一個重要系統(tǒng)，它作為煉鋼廠用于直接控制鋼水流量、使?jié)茶T易于實現(xiàn)自動化的關(guān)鍵部件，其選型的合適與否不僅決定它使用壽命的高低、使用效果的好壞，還對噸鋼成本造成不小的影響，而且對鋼包周轉(zhuǎn)、生產(chǎn)調(diào)度、連鑄以及操作人員勞動強度等都有非常重要的影響［1］。另外，如果該系統(tǒng)在使用過程中發(fā)生穿鋼等異?，F(xiàn)象，將導(dǎo)致鑄機斷拉，甚至危及連鑄設(shè)備，造成人身傷亡等惡性生產(chǎn)事故。鋼包滑動水口機構(gòu)的選型直接制約生產(chǎn)的穩(wěn)定順行［2－3］。

2 鋼包滑動水口機構(gòu)

2．1 鋼包滑動水口機構(gòu)的構(gòu)成

鋼包滑動水口機構(gòu)是安裝在鋼包底部的裝置，一千多度的鋼水，就是經(jīng)過它進入中間包或激振器內(nèi)，滑動水口可以隨時開閉，起到控制鋼溫、調(diào)節(jié)鋼流的作用，保護著鋼包下面的設(shè)備和操作人員的安全。滑動水口工藝目前已在全世界范圍內(nèi)得到普及，中國的鋼包上也基本上安裝了滑動水口機構(gòu)［4－6］。

以安陽鋼鐵股份有限公司(以下簡稱安鋼)目前170t鋼包使用的LS70/－R型鋼包滑動水口為例，其機構(gòu)見圖1。機構(gòu)的滑動小車由液壓驅(qū)動在托架內(nèi)做往復(fù)滑動，活動界面通過彈簧組件驅(qū)動滑動小車做往復(fù)運動，從而實現(xiàn)對鋼水的控制。該機構(gòu)主要部件見圖1。

圖1 LS70/1－R型鋼包滑動水口機構(gòu)主要部件

2．2 鋼包滑動水口機構(gòu)的工作原理

鋼包滑動水口機構(gòu)(其工作原理示意圖如圖2所示)，即是利用安裝在鋼包底部金屬外殼外面的兩塊用耐火材料制成的平板(上面的稱上滑板，下面的稱下滑板)，并且依靠機械力將兩塊滑板壓緊，達到近乎無間隙的程度。通過外部驅(qū)動力移動下滑板，使上、下滑板產(chǎn)生平行位移，由于上、下滑板上都有同樣大小的澆鑄孔，且上滑板的澆鑄孔與上水口連接，直接連通鋼包內(nèi)鋼水，下滑板的澆鑄孔連接下水口。當(dāng)上、下澆鑄孔在移動中重合時，鋼包內(nèi)鋼水可以通過上水口、上滑板、下滑板、下水口流出，進行澆鑄作業(yè)。當(dāng)上、下滑板的澆鑄孔錯開時，則澆鑄孔關(guān)閉，澆注作業(yè)停止。由于滑板的移動是和水口連接在一起進行的，并且整個機構(gòu)安裝在鋼包底部，所以稱之為鋼包滑動水口機構(gòu)［7－9］。

圖2 鋼包滑動水口機構(gòu)工作原理示意圖

2．3 鋼包滑動水口機構(gòu)的演變

2．3．1 塞棒與滑動水口

用塞棒在鋼包內(nèi)控流時，因苛刻的內(nèi)部環(huán)境，塞棒失控事故經(jīng)常發(fā)生。20世紀(jì)70年代前后，歐美和日本紛紛試驗、使用和推廣滑動水口。20世紀(jì)70年代，中國專家也開始關(guān)注滑動水口技術(shù)并試驗，在80年代前后，引進、吸收和消化，使得該技術(shù)得到迅速推廣。因滑動水口系統(tǒng)所表現(xiàn)出的無比優(yōu)越性，塞棒系統(tǒng)控流逐漸被滑動水口系統(tǒng)取代［10］。2006年，馬鞍山市雨山新材料有限公司、馬鋼股份耐火材料公司首次將滑動水口系統(tǒng)應(yīng)用在福建三明轉(zhuǎn)爐出鋼口前后期擋渣上，一舉獲得成功，從此在該鋼廠應(yīng)用，并推廣到寶鋼、萊鋼和承德建龍等鋼廠轉(zhuǎn)爐上，在國內(nèi)開辟了滑動水口系統(tǒng)應(yīng)用新領(lǐng)域，引起越來越多用戶的興趣。

2．3．2 滑動水口機構(gòu)形式

起初，滑動水口機構(gòu)主要有旋轉(zhuǎn)式和直線往復(fù)式兩種形式。經(jīng)過實踐對比，直線往復(fù)式機構(gòu)比旋轉(zhuǎn)式制作簡易，安裝便利，且具有更換滑板快，性能安全、可靠等優(yōu)勢，因此旋轉(zhuǎn)式機構(gòu)逐漸失去了市場。目前，用戶大多采用直線往復(fù)式機構(gòu)。

然而，直線往復(fù)式機構(gòu)(如LS型)因其軌道小車是一種相當(dāng)于“線接觸”的形式，穩(wěn)定性較差;鑒于此，新型“面接觸”的滑塊機構(gòu)(如CS型)正在日益興起。

2．3．3 滑動水口磚型

早期，滑板直線控流形式也有兩種:一是雙層式滑板，上面一塊滑板固定，下面一塊滑板依靠液壓或氣壓裝置直線往復(fù)運動，上下滑板鑄孔對齊就開澆，錯開就節(jié)流，直至關(guān)閉;二是三層式滑板，一般用在中間包上，上下滑板固定不動，且鑄孔對齊，鋼水的開啟與關(guān)閉是通過中間滑板來進行的。

三層式滑板的磚型及機構(gòu)的復(fù)雜性且不說，僅就帶孔中滑板在節(jié)流或代替關(guān)閉時，就會有鋼水停留在上下滑板之間的中滑板孔中，若操作不慎，時間一長，鋼水就會粘結(jié)而損傷滑動面，還會造成機構(gòu)故障，甚至出現(xiàn)澆鋼事故等。因此，三層式滑板應(yīng)用受到了限制，而雙層式滑板是值得主要考慮的形式。

歸結(jié)到雙層式滑板，開始時，上下滑板的磚型種類繁多，設(shè)計者根據(jù)初步的經(jīng)驗和有限的資料來設(shè)計，磚型設(shè)計往往過大過厚，外形各式各樣，上下滑板磚型不一樣也不規(guī)范，自然對磚的尺寸外型也缺少統(tǒng)籌考慮。

因磚型設(shè)計的不合理，對產(chǎn)品性能的穩(wěn)定、機構(gòu)制作和滑板水口磚的生產(chǎn)帶來了許多負面的影響。根據(jù)分析與實踐，滑板的結(jié)構(gòu)形式為雙層式，上下滑板為同一磚型，滑動方向相對鑄孔為非對稱外形，已成為一種共識。

另外，就滑動水口磚型的探討其實涉及到兩方面內(nèi)容:一是水口與滑板的配合;另一個是滑動面周邊的形狀設(shè)計。常見的滑板與水口配合連接歸納起來有4種類型，如圖3所示。根據(jù)文獻［10］，經(jīng)各種考量，常見的滑動面周邊形狀大致也可分為4種，如圖4所示。

目前，圖3和圖4中較為優(yōu)選的方案是:滑板與水口的廉潔類型常用淺凹圓臺型嚙合連接方式，而板面周邊形狀則采用水滴狀直線圓弧形。

圖3 滑板與水口配合連接的4種類型

圖4 滑板滑動面的4種周邊形狀

2．4 國內(nèi)鋼包滑動機構(gòu)的發(fā)展歷程

就國內(nèi)外鋼包滑動機構(gòu)的發(fā)展、使用性能及市場占有率進行簡要對比分析后認為:維蘇威、INTERSTOP公司、美國FLocon及日本黑崎各有優(yōu)勢。

國內(nèi)從模鑄到連鑄階段滑動機構(gòu)(含連鑄滑動機構(gòu))的整體發(fā)展經(jīng)歷階段:

1)30t轉(zhuǎn)爐由手動B40型、B50型和B60型機構(gòu)發(fā)展到液壓250型機構(gòu)階段。

2)手動機構(gòu)改為小型液壓250型及部分Flocon滑動機構(gòu)階段。

3)武鋼二煉鋼引進501型滑動機構(gòu)并推廣到重鋼、攀鋼、昆鋼、太鋼及首鋼階段。

4)寶鋼全套引進日本黑崎滑動機構(gòu)階段。

5)國內(nèi)薄板坯連鑄連軋開始引起維蘇威LV11和LV12型滑動機構(gòu)階段。

6)武鋼三煉鋼300t轉(zhuǎn)爐引進INTERSTOP公司的LS型滑動機構(gòu)階段。

7)國內(nèi)仿制INTERSTOP公司LS型滑動機構(gòu)進行的國產(chǎn)化階段。

8)馬鋼四煉鋼引起INTERSTOP公司CS型滑動機構(gòu)階段。

9)國內(nèi)結(jié)合維蘇威及INTERSTOP的CS型機構(gòu)優(yōu)勢研制新型國產(chǎn)滑動機構(gòu)階段。

3 鋼包滑動水口機構(gòu)選型所關(guān)注的幾個問題

3．1 滑動機構(gòu)選型所關(guān)注的問題

目前，鋼包滑動水口機構(gòu)的提供商較為復(fù)雜，國外的主要有INTERSTOP公司、維蘇威、日本黑崎等;國內(nèi)的更是紛繁，東北地區(qū)(如撫順、大連、鞍山熱能院等)、華北地區(qū)(如邯鄲正泰、邯鄲泰禾、邯鄲沃爾特、唐山創(chuàng)華、衛(wèi)輝熔金等)、中南及東部地區(qū)(如湖北武穴風(fēng)神、山東章丘鋼友、山東萊蕪斯博、馬鞍山雨山、上海、宜興、寧波鄞州等)。

滑動水口機構(gòu)的選型及改型等主要考慮到鋼包大小基礎(chǔ)上的安全性、穩(wěn)定性、可靠性和使用的便捷性從而達到降低噸鋼成本的目的，并以機構(gòu)零部件的使用壽命、連滑率、鋼包周轉(zhuǎn)率及配套耐材的更滑時間等指標(biāo)予以衡量。

3．1．1 上下滑板的定位方式

滑板的定位作用一是可以保證滑板在使用過程不發(fā)生竄動、使上下滑板、上下水口和火泥在高溫使用過程中形成一個整體，從而避免漏鋼現(xiàn)象，二是可以有效地改變滑板受力方向，使之產(chǎn)生不妨礙滑板連滑的龜裂紋。

滑板的定位方式一般有如下幾種:一是維蘇威滑動機構(gòu)上的偏心輪或馬蹄形定位、二是日本黑崎公司四角加壓定位、三是INTERSTOP公司定位塊和磁性定位。

3．1．2 上水口的定位方式

國產(chǎn)滑動機構(gòu)耐材設(shè)計的依據(jù)是參照日本501機構(gòu)上下滑板及上下水口的子母臺及外徑來設(shè)計的，但對上水口都沒有一個完整的定位方式，只是根據(jù)上水口與水口座磚配合錐度及火泥的用量來調(diào)配，雖然也有上水口安裝工具來準(zhǔn)確定位，并要求在安裝完上水口必須燒烤上水口使火泥具有一定的燒結(jié)強度后才能安裝滑板(這樣才能保證安裝滑板后在高壓下上水口不容易向里移動)，但由于現(xiàn)場條件、火泥的質(zhì)量及操作等多種原因，經(jīng)常出現(xiàn)上下滑板及上下水口同時安裝而無法準(zhǔn)確定位上水口的情況。

3．1．3 滑動機構(gòu)的護板設(shè)計

滑動機構(gòu)護板作用一是起到中間包鋼水對機構(gòu)的熱輻射，二是對現(xiàn)場使用過程中各種原因造成鋼水對機構(gòu)的噴濺，尤其是大包長水口與鋼包下水口對接或其他原因出現(xiàn)涌鋼現(xiàn)象。

如果護板不能隨著滑件同時運動，則很容易造成護板變形、中間包鋼水通過中空對滑動機構(gòu)的熱輻射及長水口如與下水口配合不好的情況下出現(xiàn)涌鋼，這樣極易就會造成鋼水通過護板中空的間隙燒壞機構(gòu)而無法正常關(guān)閉滑板。

3．1．4 滑動機構(gòu)摩擦力

從國內(nèi)外滑動機構(gòu)摩擦力分析來看，一種是維蘇威及黑崎“滑條對滑條”的摩擦方式，屬“平面對平面”的受力方式;一種是INTERSTOP公司輪子對滑條的滾動受力，屬“點與面”的受力方式，第二種滾動受力方式所產(chǎn)生的摩擦力是第一種的30%左右，但從滑動機構(gòu)尤其是滑件的散熱性及受力的平穩(wěn)性來看，還是“平面對平面”滑條受力方式比較合理。

3．1．5 滑動機構(gòu)使用的彈簧方式

從國內(nèi)外滑動機構(gòu)來來，彈簧有如下幾種方式:一是日本黑崎設(shè)計的501機械螺旋彈簧，此種彈簧原理是壓力隨壓縮量增加而提高;二是美國Flocon采用的氣體彈簧，其工作原理是壓力隨密封惰性氣體使用溫度提高而增加;三是維蘇威公司設(shè)計的扭力彈簧或疊性彈簧，其工作原理是壓力為一固定值，但壓縮量以一組疊性彈簧的數(shù)量來決定;四是 INTERSTOP公司專利螺旋疊性彈簧。

一般而言，選擇第三種彈簧方式的傾向大一些，因為這種方式可以確保滑板二側(cè)的受力均勻性和平穩(wěn)性。同時由于國內(nèi)疊性彈簧的質(zhì)量已大幅提高，其使用壽命能夠達到正常501機械彈簧的3～5倍。

3．1．6 滑動機構(gòu)的操作及工人勞動強度

這方面的考慮主要涉及如下幾方面問題:一是現(xiàn)場操作空間的問題;二是更滑上下滑板及上水口操作的便捷性與智能性問題。該問題較為顯見，這里不再贅述。

3．1．7 滑動機構(gòu)配件數(shù)量及使用壽命

這方面的考慮主要涉及:一是配件數(shù)量，如輪子、輪軸、滑條、護板、下水口套及彈簧等;二是使用壽命的問題。

如果機構(gòu)中的“輪子、輪軸、滑條”的使用壽命能夠與與機構(gòu)本體同步則是比較理想的選擇。在有些機構(gòu)中“輪子、輪軸、滑條”只是起到對滑件自動加壓作用，這方面可以實現(xiàn)。

而護板如果采用固定在滑件上的方式，則不存在變形問題。采用進口高檔疊性彈簧便可實現(xiàn)，這種情況下機構(gòu)真正意義上的配件可能只有下水口套、大滑條及部分彈簧等，機構(gòu)配件整體消耗極低。

3．1．8 滑動機構(gòu)的強度及維護便捷性

這方面考慮主要涉及機構(gòu)的整體性。

如果機構(gòu)整體采用精鑄框架，那么，在正常維修過程中由于滑件與框架是一個整體，有的還與底座分離，維修時只需將框架及滑件整體吊走并實現(xiàn)在線快換。

3．1．9 上下滑板和下水口及安裝板的統(tǒng)一性

在滑板機構(gòu)的選型與改型中，這方面的考慮是極為必要的。

首先，帶鋼殼的上下滑板，在其工作厚度不足的情況下，不但成本高，而且滑板本身的整體強度可能不夠，使用過程中則很容易發(fā)生滑板橫斷現(xiàn)象。

其次，如果對滑動機構(gòu)耐材進行改型選擇，則滑板外形及尺寸的對比優(yōu)選顯得尤為重要，可以比較選擇重鋼、天鋼、宣鋼、武鋼等鋼廠的滑板外形;而下水口要么采用現(xiàn)有的外型尺寸、現(xiàn)有的滑動機構(gòu)安裝板及操作方式，要么對比優(yōu)選。總之，以不增加耐材模具及盡可能少的改變現(xiàn)有操作方式為原則。

3．1．10 鋼包滑板澆鋼孔徑計算

首先，需要參考現(xiàn)有滑板孔徑尺寸大小。

其次，從鋼包的最快澆鋼時間、中間包最短時間滿足最低開澆噸位、中間包飛包時間及連鑄機的拉坯速度來綜合考慮計算分析。

再次，需要考慮適當(dāng)?shù)挠嗟亍Ｒ驗樵谝魃百|(zhì)量不存在問題的情況下，該直徑與大包自開率也有一定的對應(yīng)關(guān)系。

3．2 匹配耐材選擇所關(guān)注的問題

與機構(gòu)匹配的耐材本身不存在技術(shù)問題，但情況的復(fù)雜性是可想而知的。所以，其選型或改型需要鋼廠自身的多方評估及耐材廠家的大力配合并實現(xiàn)穩(wěn)定供貨條件。一般的做法是根據(jù)機構(gòu)廠家所提供的“關(guān)鍵尺寸”進行“測繪”后確定或由機構(gòu)廠家直接推薦。

滑動水口系列耐材項主要包括，滑板、上水口、下水口、水口座磚、火泥以及匹配引流砂等。其中，水口各部位所用耐材主要包括如表1所示的一些具體技術(shù)要求。

表1的各指標(biāo)項中除化學(xué)成分一般都有“標(biāo)準(zhǔn)值”與“代表值”之分。其中，各指標(biāo)項的主要化學(xué)成分一般包括:

滑板:Al2O3、ZrO2、FC 等。

上下水口:Al2O3、MgO、FC、SiC 等。

水口座磚:Al2O3、Cr2O3、FC 等。

火泥:Al2O3、SiO2、FC 等。

表1 滑動水口機構(gòu)耐材主要技術(shù)要求

4鋼包滑動水口機構(gòu)使用過程中的常見問題

1)鋼包滑動水口是鋼包系統(tǒng)的重要組成部份，是將鋼包內(nèi)的高溫鋼水安全、穩(wěn)定、可靠地注入中間包的關(guān)鍵設(shè)備。但該機構(gòu)實際使用過程中也存在不少問題，可歸納為如下幾個方面:

(1)配套機構(gòu)裝置原因。主要表現(xiàn)在機構(gòu)加工精度差，使滑動面面壓分布不均;所采用的彈簧組件耐高溫性能差，使用壽命短;驅(qū)動裝置故障。

(2)耐材質(zhì)量原因。主要表現(xiàn)在座磚耐高溫強度低，上水口磚熱穩(wěn)定性能差，鋼水易滲入縫隙發(fā)生漏鋼;滑板磚不耐鋼水的侵蝕和沖刷，在澆鑄含Ca，Mn的鋼水時，易在鑄孔邊緣形成“馬蹄形熔損”;下水口磚在使用時受熱應(yīng)力的影響易產(chǎn)生裂紋甚至斷裂［11－20］。

(3)操作原因。主要表現(xiàn)在當(dāng)鋼包不能自動開澆時，采用燒氧方式開澆造成滑板滑動面的燒損;滑板滑動面有鋼渣未清理干凈，導(dǎo)致兩滑板機構(gòu)間存在縫隙。

2)以下結(jié)合安鋼170t鋼包所用INTERSTOP公司提供的LS70/－R型鋼包滑動水口為例說明其在使用過程中需要注意的幾個問題及相應(yīng)解決措施:

(1)LS70/1－R型機構(gòu)本身上滑塊與上水口安裝匹配縫隙最初有點大，屬設(shè)計缺陷，該缺陷如果不采取措施予以彌補，將直接導(dǎo)致跑鋼與吸氣現(xiàn)象，影響鋼質(zhì)，甚至造成安全事故。后來經(jīng)過與廠家溝通，規(guī)范了上水口耐材設(shè)計，在耐材材質(zhì)不變的情況下，將兩者之間的接觸縫隙改小了2%，適應(yīng)了兩者之間的匹配。

(2)導(dǎo)軌上的輪子與導(dǎo)軌間屬“線接觸”或者說是“線面接觸”而非“面面接觸”，這是該機構(gòu)比較顯著的一個設(shè)計特點，然而，這種“線接觸”存在先天不足，即，長時間熱負荷條件下，輪子在導(dǎo)軌內(nèi)的動作靈敏度和導(dǎo)位準(zhǔn)確性受限，如果不注意維護保養(yǎng)，將導(dǎo)致滑板動作的不穩(wěn)定性，影響鋼包正常周轉(zhuǎn)。但是，因該處設(shè)計的改動涉及到材質(zhì)、工藝等多方面問題，所以，對下線鋼包進行了及時的維護，采取向?qū)к壣系妮喿油磕▽Ｓ脻櫥?需要說明的是，如果沒有專用潤滑油，可以采用普通潤滑油進行潤滑，但高溫條件下潤滑持續(xù)時間和潤滑效果將受到嚴重影響)的措施，并規(guī)定下線鋼包滑板機構(gòu)必須經(jīng)動作靈敏性檢測和穩(wěn)定性檢測后方可繼續(xù)投入繼續(xù)周轉(zhuǎn)。這種檢測在正常周轉(zhuǎn)的鋼包周轉(zhuǎn)期內(nèi)只多用了2～3min時間，不影響鋼包正常使用。

5 鋼包滑動水口展望

國內(nèi)滑動水口裝置的定型設(shè)計及滑動水口磚的系列化工作早在20世紀(jì)80年代就已基本完成，給制造廠和用戶帶來了顯著的經(jīng)濟效益。

然而，由于國內(nèi)各鋼廠(或重機廠)在鋼包容量、澆注工藝和操作方法等方面存在不同程度的差異，因此使滑動水口裝置的結(jié)構(gòu)形式呈現(xiàn)多樣化。所以，目前雖然鋼廠對滑動水口的選用有很大的靈活性，但是，具體到機構(gòu)選型與改型及匹配耐材選型與改型的問題來看(不僅僅局限于鋼包用滑動水口)，如滑板的磚型設(shè)計(這涉及到滑板與水口的配合連接方式、滑板滑動面周邊形狀的確定、匹配耐材的優(yōu)選等)等還存在諸多欠規(guī)范的問題，這些問題的存在將不利于鋼廠的使用、機構(gòu)的制造和滑板水口磚的生產(chǎn)。

鋼鐵工業(yè)的不斷發(fā)展必然帶動滑動水口技術(shù)的不斷革新與進步。安全、準(zhǔn)確、方便、快捷是滑動水口生產(chǎn)與發(fā)展的目標(biāo)。國外的質(zhì)量較高，國內(nèi)生產(chǎn)的水口質(zhì)量也在不斷提高，并出口美國等地，反映較好，其市場也在逐漸擴大。

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