中間包控流系統(tǒng)事故率降低措施

供稿|張文祥，武曉陽，李碩，崔曉璐/ ZHANG Wen-xiang,WU Xiao-yang,LI Shuo,CUI Xiao-lu

內(nèi)容導(dǎo)讀 唐鋼長材事業(yè)部中間包定徑水口控流系統(tǒng)存在上水口侵蝕擴(kuò)徑快、炸裂，上水口、下滑塊之間夾鋼等問題，導(dǎo)致中間包使用壽命降低，嚴(yán)重影響連鑄生產(chǎn)的高效運(yùn)行。對(duì)中間包定徑水口控流系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行分析，通過調(diào)整鋯芯成分，提高水口烘烤溫度，優(yōu)化水口和滑塊加工工藝，改進(jìn)上水口、下滑塊和機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)板尺寸等措施，解決了上水口侵蝕炸裂和上水口與下滑塊夾鋼的問題。中間包控流系統(tǒng)事故率由1.5 次/萬t 鋼降低到0.1 次/萬t 鋼以下，中間包上水口與中間包壽命實(shí)現(xiàn)了同步，為中間包使用壽命地提高提供了有力保證。

唐鋼長材事業(yè)部連鑄作業(yè)實(shí)施高效化生產(chǎn)，拉速由2.1 m/min 提高到2.6 m/min。為保證中間包單位時(shí)間的過鋼量，相應(yīng)的中間包定徑上水口由?18 mm 增大到?20 mm，與之配合的中間包下滑塊由?18 mm 增大到?19.5 mm、和?20 mm。由于連鑄單流過鋼量的增加，導(dǎo)致中間包上水口、下滑塊侵蝕加劇，使用壽命降低，上水口與滑塊之間夾鋼停流事故發(fā)生頻率增加。統(tǒng)計(jì)表明，二鋼軋廠6 機(jī)6 流小方坯連鑄機(jī)，在月產(chǎn)量8～11 萬t 的情況下，中間包控流系統(tǒng)的事故達(dá)到10～13 次，事故率1.5 次/萬t 鋼以上。為此，對(duì)中間包定徑水口控流系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，為連鑄高效化生產(chǎn)提供保證。

中間包定徑水口控流系統(tǒng)存在的問題

中間包上水口侵蝕擴(kuò)徑、炸裂

中間包上水口侵蝕擴(kuò)徑、炸裂表現(xiàn)出來兩種形式[1]，一種是殘鋼表面出現(xiàn)點(diǎn)狀鋼瘤（俗稱“苦瓜臉”），如圖1 所示；另一種形式是鋯芯出現(xiàn)縱向裂紋，并從鋼柱中溢出鋼水，夾出鋼片，圖2 所示。

圖1 上水口侵蝕擴(kuò)徑

圖2 上水口炸裂

中間上水口狀況：上水口擴(kuò)徑超標(biāo)，殘鋼鋼柱直徑由?19 mm、?20 mm 擴(kuò)徑為?27 mm 以上。中間包上水口擴(kuò)徑統(tǒng)計(jì)情況如表1。

表1 上水口擴(kuò)徑情況

上水口、下滑塊之間夾鋼

正常情況下，上水口與下滑塊工作面在機(jī)構(gòu)建立的壓力之下應(yīng)該緊密接觸（如圖3），不會(huì)有鋼渣等雜物。但有時(shí)會(huì)因?yàn)椴僮魇д`、機(jī)構(gòu)壓力穩(wěn)定性差等多種原因，出現(xiàn)換滑塊過程中上水口與滑塊之間夾鋼，如圖4 所示。

圖3 上下水與下滑塊工作狀態(tài)

圖4 上水口、下滑塊夾鋼

原因分析

中間包上水口侵蝕擴(kuò)徑、炸裂原因

中間包上水口鋯芯擴(kuò)徑、炸裂，與水口鋯芯質(zhì)量穩(wěn)定性有關(guān)。上水口鋯芯主要成份是ZrO2（氧化鋯），同時(shí)添加少量的MgO，Y2O3（三氧化二釔）等稀土穩(wěn)定化劑，結(jié)合劑一般為聚乙烯醇。氧化鋯在溫度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生單斜晶系、四方晶系和立方晶系的相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，此過程中有體積變化，因此，氧化鋯的抗熱震性很差。為改善鋯芯抗熱震性采用了部分穩(wěn)定的方式生產(chǎn)鋯芯，成品鋯芯是部分穩(wěn)定的氧化鋯材料，穩(wěn)定化率一般為30%。在中間包使用后期水口穩(wěn)定化率降低，表現(xiàn)為水口鋯芯抗侵蝕性、抗熱震性下降[2-3]，造成上水口侵蝕、炸裂。

上水口、下滑塊之間夾鋼原因

工作狀態(tài)下的滑塊和備用滑塊均定位在滑道內(nèi)，澆鋼過程中常常出現(xiàn)鋼渣飛濺到機(jī)構(gòu)滑道表面，如果換下滑塊時(shí)未對(duì)機(jī)構(gòu)清潔度進(jìn)行清理，就會(huì)破壞機(jī)構(gòu)運(yùn)行的平穩(wěn)性，造成上水口、下滑塊之間壓力不穩(wěn)定，鋼水就會(huì)從上水口、下滑塊之間溢出形成夾鋼。

如果澆鋼過程中水口對(duì)中精度差，鋼水會(huì)對(duì)水口表面嚴(yán)重侵蝕，上水口出口表現(xiàn)出“碗狀”侵蝕，造成上水口與下滑塊配合失效，形成夾鋼。如圖5 所示不對(duì)中，則會(huì)在A 點(diǎn)侵蝕上水口，在B 點(diǎn)侵蝕下滑塊。

圖5 上水口與下滑塊鋯芯不對(duì)中侵蝕：（a）主視圖；（b）俯視圖

原設(shè)計(jì)中，下滑塊長方形的工作面與上水口圓形工作面相配合，經(jīng)常出現(xiàn)因上水口工作面露出機(jī)構(gòu)底板平面尺寸偏小，下滑塊角部與機(jī)構(gòu)面相干渉，機(jī)構(gòu)底板將下滑塊的4 個(gè)角部墊起，下滑塊方形工作面與上水口的圓形工作面不能重合，滑塊與水口之間出現(xiàn)縫隙，造成夾鋼。如圖6 所示的B 點(diǎn)。

圖6 機(jī)構(gòu)與上水口配合：（a）俯視圖；（b）主視圖

連鑄出現(xiàn)斷流事故再次開澆時(shí)，需要用氧管對(duì)水口進(jìn)行燒氧引流，中間包上水口燒氧溫度高達(dá)2000 °C 以上，并伴有氧氣流沖擊，破壞了鋯芯端面，對(duì)水口鋯芯端面及內(nèi)表面侵蝕嚴(yán)重，造成上水口與下滑塊夾鋼。燒氧后鋯芯侵蝕如圖7。

圖7 燒氧操作對(duì)鋯芯侵蝕：（a）主視圖；（b）俯視圖

技術(shù)優(yōu)化

調(diào)整鋯芯成份

針對(duì)水口擴(kuò)徑情況，對(duì)水口鋯芯的材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化。選用優(yōu)質(zhì)ZrO2，將鋯芯ZrO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高95%以上，對(duì)體積密度、顯氣孔率等物理性能進(jìn)行改善。同時(shí)，調(diào)整MgO 和Y2O3復(fù)合穩(wěn)定劑的加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)由2.95%提高到2.99%，優(yōu)化鋯芯的穩(wěn)定化率，提高水口抗侵蝕性能。調(diào)整前后成份性能如表2。

表2 鋯芯的成分性能調(diào)整前后對(duì)比

提高水口烘烤溫度

鋯質(zhì)產(chǎn)品的抗熱震性差，在開澆瞬間由于上水口鋯芯溫度急聚升高，很容易造成鋯芯炸裂。中間包上水口引流劑原來在烘烤之前加入，由于引流劑地覆蓋，中間包烘烤后的水口溫度只有200 °C。為提高上水口烘烤溫度，將引流劑改為中間包烘烤之后（大包開澆之前）加入。采用此種方式后，中間包上水口溫度達(dá)到了600 °C 以上。為此，設(shè)計(jì)了引流劑加入裝置，如下圖8 所示。

圖8 簡易的引流劑加入裝置

水口、滑塊設(shè)計(jì)與加工工藝優(yōu)化

針對(duì)中間包上水口擴(kuò)徑的情況，采用加長水口鋯芯改善鋼水流動(dòng)狀況，將上水口高度由原來的95 加長到130 mm；同時(shí)，為了使滑塊更好地進(jìn)入工作位置，降低上水口與下滑塊的碰撞應(yīng)力，將上水口工作面，設(shè)計(jì)成360°大倒角（3×34°）；改進(jìn)前后上水口對(duì)比如圖9 所示。

圖9 上水口倒角示意圖：（a）改進(jìn)前；（b）改進(jìn)后

根據(jù)上水口與機(jī)構(gòu)平面差的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，上水口應(yīng)高于機(jī)構(gòu)平面0.3～0.5 mm。為此，調(diào)整上水口高出機(jī)構(gòu)底板平面尺寸，水口高度L由原來的18.1 提高到18.3 mm（機(jī)構(gòu)凹槽深度17.9 mm），保證水口與滑塊緊密接觸，如圖10 所示。

圖10 中間包上水口與機(jī)構(gòu)底板相對(duì)高度示意圖

將下滑塊與上水口接觸平面直角形式改為圓角形式，保證下滑塊與上水口接觸吻合，解決機(jī)構(gòu)與下滑塊之間干涉，導(dǎo)致上水口與滑塊不能壓緊的問題。改進(jìn)前后對(duì)比如圖11 所示。

圖11 下滑塊平面：（a）改進(jìn)前；（b）改進(jìn)后

將下滑塊入口碗部半徑由25 改為7.5 mm，入口直徑由26 改為22.5 mm，優(yōu)化上水口、下滑塊結(jié)合部位鋼水流場，降低此部位的侵蝕速率，減少水口滑塊夾鋼現(xiàn)象。優(yōu)化前后尺寸對(duì)比如圖12 所示。

圖12 鋯芯尺寸（單位：mm）：（a）優(yōu)化前；（b）優(yōu)化后

為了確保上水口面高出基礎(chǔ)板的滑道面0.3～0.5 mm，將基礎(chǔ)板與上水口的配合尺寸由18.0±0.2 mm，調(diào)整為17.8±0.1 mm（如圖13）。防止出現(xiàn)下滑塊與基礎(chǔ)板之間干涉，造成上水口與下滑塊壓不緊的問題。

圖13 調(diào)整后基礎(chǔ)板尺寸（單位：mm）

控流系統(tǒng)優(yōu)化后的效果

中間包上水口擴(kuò)徑情況

中間包使用30 h 下線后，測量各流上水口鋼柱直徑，鋼柱直徑由原始?19 mm 和?20 mm 分別擴(kuò)徑到?23 mm 和?23.5 mm，平均擴(kuò)徑為23.25 mm，遠(yuǎn)小于擴(kuò)徑標(biāo)準(zhǔn)?26 mm，取得了顯著效果。

上水口鋼柱狀況

上水口鋼柱表面光滑，無結(jié)瘤，鋯芯無炸裂。如圖14 所示。

圖14 上水口鋼柱

上水口、下滑塊配合狀況

優(yōu)化后的中間包上水口與下滑塊之間無明顯夾鋼，上水口與下滑塊匹配合理，達(dá)到了使用要求。如圖15 所示。

圖15 上水口與下滑塊配合

通過技術(shù)優(yōu)化，中間包控流系統(tǒng)的事故率由1.5 次/萬t，降低到0.1 次/萬t 以下，中間包上水口壽命與中間包壽命實(shí)現(xiàn)了同步。

結(jié)束語

（1）中間包上水口鋯芯擴(kuò)徑、炸裂，與水口鋯芯質(zhì)量穩(wěn)定性有關(guān)；上水口、下滑塊之間夾鋼與連鑄操作及上水口和滑塊的配合尺寸有關(guān)。

（2）通過調(diào)整水口鋯芯ZrO2含量，調(diào)整氧化鋯的穩(wěn)定化率，開發(fā)了與長壽命中間包相匹配的上水口，實(shí)現(xiàn)了中間包上水口與中包壽命同步。

（3）優(yōu)化改進(jìn)上水口與滑塊外形尺寸，提高中間包滑動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)備控制精度，解決了水口夾鋼問題。