连铸浸入式水口、塞棒设计

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，QC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，hl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0ARBA0A W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QC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50〜85mm之间，其他类型为50〜30mm，小方坯连铸则更小浸入式水口的喉线深度hl，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40〜60mm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40〜70mm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90〜140mm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（20〜45mm）,即：（pA=^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pB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pB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pD通常pD值等于水口流钢中孔的直径pC加上（40〜75mm）, 即:pD = pC+（40〜75mm）由此可以推定，水口头部的下口的壁厚为（40〜75mm） /2, 即壁厚为20〜37.5mm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150〜260mm之间； 而在图1-B中，水口圆柱体与圆锥体的总高度h值在140〜300mm范围内，其中圆柱体高 度 h2 值落在 20〜80mm 圈内，而大多数取值为 30〜50mm2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：水口尾部结晶器图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160〜380mm之间;3） 圆坯连铸用结晶器，尺寸为©150m m〜©310mm；4） 板坯连铸用结晶器，窄面尺寸在140mm〜300mm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 30mm〜40mm 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〕一2x （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=〔水口尾部外径一流钢中孔直径〕一2目前国内浸入式水口尾部的壁厚一般在17〜30mm之间，建议选择20〜25mm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〕+2x （20〜25mm）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15〜30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25〜40mm之间直通孔长方形侧孔圆形侧孔图 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 出钢口，在国内有，但极少见直通孔 长方形侧孔 圆形侧孔4 浸入式水口渣线的确定A B C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50〜60mm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h=3x （50〜60mm）即渣线高度为150〜180mm国内浸入式水口的渣线高度在140〜200mm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8〜15mm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，易碰短水口中间包座砖浸入式水口*结费器逐齊P7T \ : 「//丿结晶器图 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：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12〜50mm之间，对于大多数小断面方 坯和圆坯来说，R1的值在12〜35mm范围内；对于大板坯则在35〜50mm之间棒头头体的圆弧面的半径R2的值在120〜200mm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100〜150mm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 60〜120mm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 50〜100mm 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 含ZrO2、ZrO2-C质、MgO-C质等材料近几年来，AI2O3-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，AI2O3-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 AI、 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AI2O3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（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（12〜18） %，体积密度（2.35〜3.15） g/cm3,耐压强度（20〜35） Mpa，抗 折强度（6〜14） 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A12O3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铝碳质水口 铝错碳质水口 吹气水口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［宾賓碳层"或无碳无 硅层ID防堵塞水口渣线图 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（14〜18） %，体积密度（3.25〜3.75） g/cm3,耐压强度（20〜27） Mpa，抗 折强度（6〜8） 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AI2O3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：1 ） Zr2O3（40〜45） % ；2） CaO（20〜22） % ；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（15〜18） %，体积密度（3.60〜2.75） g/cm3，耐压强度（22〜26） Mpa，抗折强度（5〜7） Mpa4 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AI2O3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，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） AI2O3（55〜65） % ；2 MgO（18〜22） % 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（18〜22） %，体积密度（2.60〜2.65） g/cm3，耐压强度（20〜26） Mpa5 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（相对于高铝质而言）：1） AI2O3 （55〜70） % ； 2） C （18〜26） %上水口透气层的技术指标为：显气孔率（16〜25） % ， 体积密度（2.40〜2.60） g/cm3将快速更换用浸入式水口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（16〜18） %，体积密度（2.80〜2.85） 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。