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： 
    
   
    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，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（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（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Al２O３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）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（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）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（相对于高铝质而言）：

    1）Al2O3（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。