一種新型連鑄中間包水口的研究與實踐

崔新華

（河北鑫達(dá)鋼鐵集團(tuán)有限公司 技術(shù)部，河北 唐山 064400）

目前煉鋼連鑄工序使用中間包盛裝鋼液， 鋼液通過中間包水口下行流至連鑄結(jié)晶器， 完成鋼坯的定型出坯。鋼液流經(jīng)的中間包水口是鋼液的通道，也是中間包與結(jié)晶器連接的咽喉要道， 它的壽命長短決定著中間包使用壽命的長短， 同時也制約著產(chǎn)量的提升和質(zhì)量的優(yōu)劣。

1 中間包水口使用現(xiàn)狀

現(xiàn)在煉鋼行業(yè)提倡提產(chǎn)提拉速， 在連鑄高拉速過程中，現(xiàn)有中間包的上、下水口內(nèi)的鋯芯上邊緣均與母體上邊緣齊平設(shè)置， 且鋯芯內(nèi)的鋼液流經(jīng)孔入口為90°垂直角，鋯芯入口處不斷受鋼水高流速的直擊沖刷，易損壞；下水口的鋼液流經(jīng)孔入口也為90°垂直角，上、下水口處易直接互相沖刷產(chǎn)生侵蝕、出現(xiàn)縫隙而產(chǎn)生夾鋼現(xiàn)象。 此外，現(xiàn)有上、下水口內(nèi)鋯芯外直徑最大為45 mm，在提高拉速的情況下，高流速的鋼水強烈沖刷鋯芯內(nèi)壁， 使鋯芯內(nèi)孔徑不斷擴(kuò)大，鋯芯壁不斷變薄，甚至貫穿，從而發(fā)生漏鋼現(xiàn)象，造成安全事故。

某鋼鐵企業(yè)常規(guī)中間包上水口， 屬于圓臺型，上部直徑為150 mm， 下部圓臺直徑為85 mm， 高度為150～200 mm，根據(jù)包型有不同的高度，上水口主要由殼體（母體）和內(nèi)部芯管組合而成，分別由兩種材質(zhì)進(jìn)行組合而成，外部的殼體（母體）是鋁碳質(zhì)，起到保護(hù)芯管的作用，內(nèi)部的芯管為鋯質(zhì)（ZrO），內(nèi)徑為15～24 mm，外徑為45 mm，是鋼液流經(jīng)通道；殼體為圓臺形，內(nèi)部的芯管為圓柱形，兩者鑲嵌在一起，鋼液流經(jīng)鋯芯通過上水口，通過下水口出來，到達(dá)連鑄結(jié)晶器。

下水口（又稱滑塊）也是由殼體和內(nèi)部芯管組合而成，材質(zhì)與上水口一致。上、下水口配合使用，如圖1所示。上水口隨中包內(nèi)的水口座磚直接鑲嵌在包底的干式料中，隨包齡同步下線；下水口根據(jù)連鑄不同的拉速而選擇不同直徑鋯芯的水口， 在生產(chǎn)中可以使用快換工具進(jìn)行快速更換。

圖1 中間包上下水口配合安裝示意圖

對于此種常規(guī)上、下水口，在使用中，出現(xiàn)水口內(nèi)部鋯芯不耐侵蝕，使用壽命低，中包提前下線的問題，制約著連鑄生產(chǎn)的連續(xù)性和安全性。

2 中間包水口的優(yōu)化設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

某鋼廠技術(shù)人員針對水口使用過程中存在的壽命低和安全性差的問題， 結(jié)合山東某耐材企業(yè)經(jīng)驗進(jìn)行研究，決定在現(xiàn)有中間包水口的基礎(chǔ)上，對內(nèi)部的鋯芯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，重新改造，開發(fā)一種新型的中間包水口，主要目的是克服原有水口的不足，提高水口使用壽命，提高中包產(chǎn)量，具體思路如下：

（1）擴(kuò)大上水口和下水口內(nèi)鋯芯的直徑，以適應(yīng)高拉速生產(chǎn)下鋼液對鋯芯的沖刷；

（2）上水口和下水口鋯芯的入口處均設(shè)置倒角，以減緩高流速鋼水對鋯芯入口的直接沖刷，延長其使用壽命，減小上、下水口之間由于沖刷回流產(chǎn)生縫隙而出現(xiàn)夾鋼的幾率。

2.2 詳細(xì)設(shè)計優(yōu)化方案

一種連鑄鋼液中間包水口， 包括上水口和下水口，上水口鑲嵌于座磚內(nèi)，并間隔固定于中間包體的底板內(nèi)，下水口的上端與上水口下端密封接觸，上水口包括上水口母體、第一鋯芯及第一鋼液流經(jīng)孔，第一鋯芯鑲嵌設(shè)置于上水口母體內(nèi)， 第一鋯芯內(nèi)設(shè)置第一鋼液流經(jīng)孔，第一鋯芯設(shè)置為圓柱型，其外直徑d1為50～65 mm， 第一鋼液流經(jīng)孔孔徑為20～22 mm，上水口母體的上入口處內(nèi)壁傾斜設(shè)置， 其倒角β1為30°～45°， 第一鋯芯的上入水口處的內(nèi)壁傾斜設(shè)置，其倒角α1為30°～45°，β1≥α1；下水口包括下水口母體、第二鋯芯及第二鋼液流經(jīng)孔， 第二鋯芯鑲嵌設(shè)置于下水口母體內(nèi)，第二鋯芯內(nèi)設(shè)置第二鋼液流經(jīng)孔，第二鋯芯設(shè)置為圓柱型， 其外直徑與第一鋯芯的外直徑相同， 第二鋼液流經(jīng)孔的孔徑與第一鋼液流經(jīng)孔的孔徑相同， 第二鋯芯上端鋼液入口處的內(nèi)壁傾斜設(shè)置，傾斜倒角α2為30°～60°，第二鋼液流經(jīng)孔與上水口內(nèi)的第二鋼液流經(jīng)孔對齊設(shè)置在同一中心軸線上。 上下水口配合如圖2所示。

圖2 上下水口配合示意圖

連鑄鋼液中間包水口，第一鋯芯的高度h1為80～90 mm。

連鑄鋼液中間包水口， 下水口母體外設(shè)置有鋼套，鋼套的厚度為2 mm，長度為下水口母體外側(cè)壁長度的4/5，由下水口母體下邊緣向上設(shè)置；下水口母體的上端設(shè)置有安裝塊， 安裝塊與下水口母體一體成型，安裝塊設(shè)置為長方梯形，高為25 mm，上端的長邊小于下端的長邊，下端的長邊長為65 mm，寬為85 mm。

下水口母體設(shè)置為圓臺型， 其上圓直徑大于下圓直徑，上圓直徑為120 mm，下圓直徑為75 mm，高度為80～100 mm。 下水口母體外設(shè)置有鋼套，鋼套的厚度為2 mm， 長度為下水口母體外側(cè)壁長度的4/5，由下水口母體下邊緣向上設(shè)置。在下水口更換時，鋼套可以有效減緩下水口母體所受的外力沖擊， 提高下水口母體的使用壽命。 下水口母體的上端設(shè)置有安裝塊，兩者一體成型，且用材相同，安裝塊為長方體形或梯形， 便于現(xiàn)場下水口的更換以及與上水口的對接安裝。

連鑄鋼液中間包水口， 第二鋯芯下端的出水口距離所述下水口母體下邊緣的距離h2為20～30 mm，下水口母體出水端的內(nèi)壁傾斜設(shè)置， 傾斜角β2為30°～45°。

同一拉速情況下，上水口和下水口內(nèi)的鋯芯選擇同一尺寸，且第一鋼液流經(jīng)孔和第二鋼液流經(jīng)孔的孔徑也相同。 上水口內(nèi)的鋯芯的直徑、第一鋼液流經(jīng)孔的孔徑、鋯芯的高度、上水口母體入口倒角以及鋯芯入口倒角的設(shè)置需根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)情況進(jìn)行調(diào)整；同樣，下水口（滑塊）的鋯芯的外直徑尺寸可自行設(shè)計，根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)情況可以隨時進(jìn)行更換，靈活性較大，使用性較強。 上水口和下水口內(nèi)的鋯芯直徑需保持相同。

連鑄鋼液中間包水口， 第一鋯芯和第二鋯芯的顯氣孔率均為13%，體積密度為5.3 g/cm3。

2.3 拉速與水口的匹配優(yōu)化

鋯芯外直徑與拉速和孔徑之間的選擇關(guān)系：連鑄過程中，現(xiàn)有鋯芯的外直徑最大為45 mm，其適用的最大拉速為2.5 m/min， 對應(yīng)第一鋼液流經(jīng)孔和第二鋼液流經(jīng)孔的最大孔徑為20 mm， 現(xiàn)提倡提拉速來提產(chǎn)，而拉速越大，選擇的鋯芯的孔徑越大，而孔徑越大， 鋯芯的壁厚則越薄， 在高流速鋼液的沖刷下，鋯芯抵御鋼液沖刷性能降低，為保證鋯芯的正常使用壽命，限制孔徑的最大值，因而也限制了拉速的提升，無法達(dá)到提產(chǎn)的效果。

在本次研究設(shè)計中， 將第一鋯芯和第二鋯芯的外直徑擴(kuò)大至50～65 mm， 優(yōu)選外直徑為50 mm、55 mm、60 mm以及65 mm。 可適應(yīng)孔徑達(dá)到20～22 mm，拉速范圍提升至2.6～3.1 m/min。在連鑄結(jié)晶器選定的情況下，鋯芯外直徑小于50 mm時，高拉速生產(chǎn)時，需要增大鋼液流經(jīng)孔的孔徑來提高拉速， 則鋯芯壁厚度相應(yīng)減小， 鋯芯抵御高流速的鋼液對其強烈沖刷能力降低，縮短鋯芯的使用壽命；但是鋯芯的外直徑尺寸若大于65 mm，則上水口母體和下水口母體的壁厚就會相應(yīng)減小，其對鋯芯的保護(hù)作用便會減弱，因此，在滿足高拉速生產(chǎn)情況下，既能延長鋯芯的使用壽命，又不會影響上下水口母體對鋯芯的保護(hù)作用，本設(shè)計中將鋯芯的外直徑優(yōu)化為50～65 mm。

鋯芯外直徑與拉速之間的對應(yīng)關(guān)系見表1[1]。

表1 鋯芯外直徑與拉速、孔徑的關(guān)系

3 水口優(yōu)化后的實際使用效果

優(yōu)化后的上下水口有益效果如下：

（1）新型上水口和下水口內(nèi)的鋯芯直徑均設(shè)置為50～65 mm，可以靈活調(diào)節(jié)，有效地適應(yīng)了高拉速生產(chǎn)情況；

（2）延緩了高流速鋼液對鋯芯的侵蝕速度，延長了鋯芯使用壽命；

（3）延長了上水口和下水口的整體使用壽命；

（4）上水口母體和第一鋯芯的鋼液入口處均傾斜設(shè)置，倒角為30°～45°，有效減緩高流速鋼液對鋯芯的沖刷，延長了鋯芯的使用壽命；

（5）下水口的第二鋯芯的上端鋼液入口出設(shè)置倒角為30°～60°，增加了由上水口流出的鋼液在此處的回流， 有效減緩高流速鋼液對第二鋯芯的正面沖刷，從而延長了第二鋯芯的使用壽命；

（6）倒角的設(shè)置，使得鋼液由上水口內(nèi)的第二鋼液流經(jīng)孔進(jìn)入下水口內(nèi)的第一鋼液流經(jīng)孔的入口通道由窄變寬，減小了上、下水口之間由于沖刷產(chǎn)生縫隙而出現(xiàn)夾鋼的幾率；

（7）下水口母體上端部分加工成長方體或梯形的安裝塊，便于現(xiàn)場下水口的更換；

（8）下水口母體外壁上設(shè)置鋼套，減緩了更換下水口時的外力沖擊下水口母體，提高了其使用壽命；

（9）上水口的第一鋯芯高度增高至80～90 mm，進(jìn)一步延長上水口的使用壽命。

通過不斷地優(yōu)化和現(xiàn)場實踐， 某鋼廠連鑄生產(chǎn)矩形坯的中間包壽命由設(shè)計的25 h提高至36 h以上，大大降低了生產(chǎn)成本，提高了使用壽命。

4 結(jié)束

對于鋼鐵企業(yè)連鑄作業(yè)生產(chǎn)， 追求中間包內(nèi)液面穩(wěn)定，溫度穩(wěn)定，拉速穩(wěn)定，才能保證連續(xù)生產(chǎn)、安全生產(chǎn)，保證鑄坯質(zhì)量穩(wěn)定。對于中間包的日常使用和維護(hù)， 需要鋼廠和耐火材料企業(yè)技術(shù)人員共同聯(lián)合， 不斷地進(jìn)行實踐和總結(jié)， 不斷地進(jìn)行優(yōu)化和改造，以適應(yīng)連鑄作業(yè)的工藝變化，從而保證鑄坯質(zhì)量和安全生產(chǎn)。