连铸浸入式水口、塞棒设计说明书

1、精选优质文档-倾情为你奉上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

2、1.A和B所示。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。 作者认为浸入式水

3、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50mm的为主。水口碗部的圆弧与水口碗部上口的基

4、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：AB（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

5、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（4075mm）/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2080mm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

6、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

7、外径结晶器窄面尺寸2（3040mm） 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（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 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

8、。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

9、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： 渣线高度h3（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

10、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.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

11、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

12、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。

13、 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.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

14、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

15、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

16、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）% ； 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（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.在下列范围内： 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）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

17、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TiO2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（6570）%

18、； 2）ZrO2含量（7075）% ； 3）ZrO2含量（7581）% 。 浸入式水口渣线部位的C含量为（1217）% 。 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（2027）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

19、装在本体的吹氩管.向环缝吹入氩气.使氩气充满环缝.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。

20、 浸入式水口防堵塞层中的锆钙碳含量设计为： 1）Zr2O3（4045）% ； 2）CaO（2022）% ； 3）C（1822）% 。 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（2226）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

21、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（2026）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