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268管理及其他M anagement and other连铸用浸入式水口和长水口的结构与材质探讨杨 晋（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山 063210）摘 要：在连铸作业中，侵入式水口和长水口对于工艺质量和工艺效率都有很大影响，因此选择科学合理的水口结构和材质，对于连铸作业有非常重要的意义。
基于此，本文将针对连铸用浸入式水口和长水口的结构与材质展开探讨，希望能够为相关从业者提供一定的借鉴价值。
关键词：连铸 ；浸入式 ；水口 ；结构 ；材质中图分类号：TF341.6 文献标识码：A 文章编号：11-5004（2020）01-0268-2收稿日期：2020-01作者简介：杨晋，男，生于1976年，汉族，北京人，大本，工程师，研究方向：耐火材料。
相对于常规铸锭来说，耐火材料的质量对于整个工艺的效果有更大的影响，所以在连铸加工过程中，必须要对耐火材料有更高的性能要求。
同时，因为钢水与空气接触后会发生氧化使得钢种出现杂质，所以当前的大型板坯连铸机都已经完全实现了封闭式的无氧化作业，这样大包与中间包之间以长水口实施保护，而中间包到结晶器之间有浸入式水口。
在这样的工艺流程中，包括浸入式水口、长水口在内的功能性耐材，需要持续接受钢水冲刷，这对于其结构和材料来说是很大的挑战。
如果其结构合理程度或材料性能状况不佳，就需要针对这些部位的材料频繁更换，这不仅会加大材料成本的指出，更会对连铸作业本身造成影响。
所以说，功能性耐火材料的性能对于整个连铸作业的效果有非常重要的影响[1]。
1 浸入式水口在连铸作业中的浸入式水口，一端连接中间包，一端连接在结晶器，中间包到结晶器之间有浸入式水口。
其主要作用一方面体现在向结晶器注入钢液体方面，另一方面体现在防止钢业氧化作业。
所以从其作用上我们可以看出，作为功能耐火件，其必须要具备良好的贯通性能和密封新能。
所以，考虑浸入式水口的设计和材质选择，必须要充分考虑到钢流的状态，钢坯的表面形状以及其凝固状态。
轧三1/2#方圆坯连铸机开浇方式及步骤要求
上海新中连铸技术工程公司，中冶东方北雷连铸工程技术有限公司:
炼钢厂连铸机开浇方式及步骤要求如下：
1、大包开浇后当中间包内钢水达到目标高度或目标重量后手动通过压杆开启塞棒。
2、钢水从中间包内通过浸入式水口注入结晶器内，当结晶器内钢水高度到达探测范围的20%[1]时，拉矫机和振动自动开启。
3、拉矫机启动后拉速用10[2]秒钟时间从零上升到设定的起步拉速（2m/min）
[3]。
4、当结晶器内钢水液位达到设定的目标液位70%[4]，且拉速平稳后，塞棒控制由手动转入自动控制状态（该过程由手动完成）。
5、结晶器液位探测范围100mm，自动浇注过程中当结晶器内钢水液位高于90%时，塞棒自动关闭；结晶器内钢水液位低于20%时，塞棒自动关闭，拉矫机自动停止。
（该过程中振动不需要自动停止）
6、在开浇和浇注过程中可以通过手动按钮分别关闭或开启拉矫机和振动。
7、当拉矫启动时，足辊喷淋水直接开启至最大水量，20[5]秒后再执行原设计水表。
注：[3]中起步拉速需在操作盘面上可以调整，其余参数:[1]、[2]、[4]、[5]需在程序内可修改。
请按以上要求及时调整修改。
轧三友发炼钢厂
天钢专家组
2012年12月5日。
浸入式水口
浸入式水口（submerged nozzle）是连续铸钢设备中安装在中间罐底部并插入结晶器钢液面以下的浇注用耐火套管。
浸入式水口的主要功能是防止中间罐注流的二次氧化和钢水飞溅。
浸入式水口的主要功能是防止中间罐注流的二次氧化和钢水飞溅；避免结晶器保护渣卷入钢液；改善注流在结晶器内的流动状态和热流分布。
并从而促使结晶器内坯壳的均匀生长，有利于钢中气体和夹杂物的排除。
由于浸入式水口对提高铸坯质量、改善劳动条件、稳定连铸操作、防止铸坯表面缺陷等方面，都有显著成效，因而在世界各国的板坯连铸和大方坯连铸都采用这种水口进行浇铸。
可以说，浸入式水口的出现，如同结晶器振动装置的发明一样，为连铸技术的发展带来了划时代的进步。
从1965年法国东方优质钢公司（SAFE）和联邦德国曼纳斯曼公司（Mannesman）首次采用浸入式水口以来，围绕水口材质、结构形状等方面，进行了大量的研究工作，出现了许多新的研究成果，从而使浸入式水口的应用效果更为显著。
1钢包滑动水口故障（漏钢或无法控流）现象：钢水从滑动水口某处漏出，或者滑板打开后无法控制和关闭。
原因：因耐材质量、安装时滑板间隙过大，结合部泥料未填实，以及电气、液压故障导致。
措施：如果漏钢不严重，可维持浇钢，或以中间包溢流来平衡拉速，但都是以不损坏设备为前提。
反之，应立即将钢包开离浇铸位置。
2中间包故障2.1开浇自动流钢现象：当钢包开浇后，钢水随即从中间包流出。
原因：塞棒头与水口碗配合不严，或存在异物。
措施：打开塞棒，正常启动拉矫机。
2.2中间包开浇后控制失灵现象：中间包开浇后1min内钢流控制失灵，结晶器内钢水迅速上涨。
原因：钢水温度过低，塞棒头结冷钢，塞棒与水口之间有异物，塞棒机构失灵。
措施：瞬时提高拉速，关闭钢包，减少中间包注入结晶器的钢流，在此期间反复开关塞棒，试行关闭。
2.3浇铸过程中控流失灵现象：浇铸过程中不能控流，结晶器液面上涨。
原因：浇铸时间过长，耐材侵蚀过快，电气、液压故障。
措施：短时间提高拉速，同时关小钢包钢流。
2.4浸入式水口和座砖间隙漏钢现象：钢水从水口和座砖之间流出。
原因：水口安装不符合要求、耐材质量、浇铸时间过长。
措施：立即关闭钢包，打开中间包，停止浇铸，以防中间包大漏。
2.5浸入式水口穿、裂现象：浸入式水口部分穿孔或开裂，钢水流出。
原因：耐材质量、浇铸时间过长。
措施：用钢条或铝条塞住孔洞，用泥料抹于裂纹处，同时降低中间包钢水高度和拉速。
如果达不到预期效果，则停止发生问题流的浇铸。
2.6水口逐渐堵塞现象：虽然塞棒全部打开，但结晶器钢液面逐渐下降。
原因：钢水温度过低、中间包预热不良、由Al2O3沉积引起堵塞。
措施：降低拉速，迅速打开或关闭塞棒以冲洗水口内沉积物。
如果效果不好，则继续降低拉速，直到完全堵塞。
2.7水口突然堵塞现象：结晶器钢液面突然下降。
原因：水口被耐材碎片堵塞，如塞棒头及内衬等局部脱落所致。
措施：如上处理，不行则停浇。
3结晶器漏钢3.1开浇漏钢现象：结晶器液面突然下降，结晶器下部发出声响，并出现黄－绿色火焰。
连铸中夹杂物的控制连铸提高钢的质量控制夹杂物的办法有两类：第一类是防止夹杂物的生成和带入，第二类是去除钢液中已存在的夹杂物。
主要采取的对策包括：保护浇注、中间包冶金技术、中间包钢水流动控制、中间包覆盖渣、碱性包衬、中间包电磁离心分离技术、中间包热循环操作技术、防止下渣和卷渣技术、结晶器钢水流动控制、结晶器电磁搅拌技术等采取的一些具体做法如下：1、防止钢液的二次氧化钢液的二次氧化是指钢液脱氧后，继续和空气中的氧或其他氧化物作用，使钢中的氧含量升高。
为了防止钢液的二次氧化，应对钢液进行保护浇注，具体措施如下:(l)注流的保护。
钢液注流的保护包括钢包注流的保护和中间包注流的保护。
通常有长水口、浸入式水口及惰性气体屏蔽等方法。
通过注流保护浇注，既可以防止注流的二次氧化，又可避免浇注时钢流冲击液面使钢液裸露而造成的二次氧化。
(2)合理使用中间包覆盖剂。
为了防止钢液的二次氧化，生产高纯净钢，仅仅靠对注流的保护是不够的，因为中间包内高温钢液裸露于空气中，同样会受到空气的污染，因此减少钢液的二次氧化的另一措施就是在中间包内加覆盖剂。
从提高钢水清洁度的角度来讲，覆盖剂应具备隔绝空气、绝热保温、吸收从钢液中分离出来的非金属夹杂物的功能。
目前使用的覆盖剂有三种:酸性:典型的为炭化稻壳，绝热性好，成本低，但不利于吸收中间包中上浮的夹杂;中性:典型的为SiO2-A12O3质材料，有一定的绝热性，成本较低，有吸收夹杂的能力;碱性:以MgO或白云石为基的材料，吸收夹杂能力强，但绝热性能不好，易产生保护渣结壳现象。
有研究表明高的碱性覆盖剂的使用效果比酸性和中性覆盖剂的使用效果好。
(3)合理使用结晶器保护渣。
在结晶器中高温钢液面上加入低熔点的渣，会迅速形成粉渣层，烧结层和液渣层三层结构，并均匀地覆盖整个钢液面，将空气与钢液隔开，有效地阻止空气中的氧进入钢液。
但是，渣中氧化物(如FeO)的存在会增加渣金界面的氧势，提高了液渣层中氧的扩散速率，促进空气中的氧经过渣层进入钢液中，因此一般要求保护渣中FeO<4%，有的要求小于1%。
连铸漏钢原因分析与控制措施毛宏观介绍连铸是用来表示铸造过程的一个术语，涉及用液态金属连续大量生产横断面一定的固体金属型材。
铸件质量、等级和形状会影响产品的最终使用，即随后精轧机的轧制。
全世界90．5％的粗钢都要经过连铸，它因可提高炼钢的产量、质量、生产率和经济隋况而获得广泛应用。
依据预期年产量、钢水利用率和预期处理时间，设计连铸机的流数和拉速，以匹配炼钢车间钢液的供给。
温度和化学成分均匀是连铸用钢的基本要求。
钢水出钢后倒入钢包，进行各种处理包括合金化和脱气。
之后，钢包被运送到连铸车间进行吹氩处理，调整到连铸需要的温度后，放置在旋转台上。
打开钢包滑动门，钢水通过耐火砖套流人中间包。
中间包内装有各种控流装置如坝、堰、挡板和冲击垫，这些装置可增强夹杂物分离并确保钢水平稳地流进结晶器。
包内钢水通过用塞棒和计量水口控制的注流孔注入结晶器。
在大方坯连铸机／板坯连铸机的中间包和结晶器之间的浸入式水口有助于避免钢流的再氧化。
为启动连铸机，结晶器底部用一引锭杆密封，引锭杆由拉矫机在喷雾室以液压方式控制，以防止钢液从结晶器底流出。
流入结晶器的钢水部分凝固成硬化坯壳和液芯。
为抑制钢水的湍流和控制液面波动，在现代连铸机上安装带有放射源或浮子装置的结晶器液面自动控制器。
结晶器配有振动器，通过调整频率、行程和模式，改变结晶器振动周期，防止坯壳粘结到结晶器上。
启用负速拉坯行程模式，该周期的下一行程能使结晶器振动的比断面拉速更快，才能提高坯壳强度。
坯壳和结晶器之间的摩擦可通过使用结晶器润滑剂如油或粉状熔剂来减小。
一旦坯壳厚度足够，拉矫机开始启动，通过引锭杆抽出部分凝固铸流，中间包内钢水连续流入结晶器。
拉速视钢的横断面、等级和质量而定。
离开结晶器后，形成坚固坯壳的铸流进入铸辊密封区和二次冷却室。
结晶器下面的支撑辊刚性强，辊隙窄，使钢水静压力造成的鼓肚减至最小，防止产生裂纹和偏析。
因此，要用水或者水一气混合物(气雾)喷射冷却凝固铸流，促进凝固，这样可保持铸形的完整f生和产品质量。
连铸结晶器与浸入式水口和塞棒 作者：洛阳南苑耐火材料有限公司 周川生 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。
图1 浸入式水口示意图 为了叙述方便：命名φA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，φB为碗部的开口度，φC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，φD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。
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φC。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φC，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h1，无论流钢中孔的直径φC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φB。在国内，浸入式水口碗部的开口度φB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φA等于碗部的开口度φB加上（20～45mm），即：φA＝φB＋（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φB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φB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φD。 通常φD值等于水口流钢中孔的直径φC加上（40～75mm），即： φD＝φC＋（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30～50mm。
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：
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φ150mm～φ310mm； 4）板坯连铸用结晶器，窄面尺寸在140mm～300mm之间。
图2 水口尾部在结晶器中的位置 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〕－2×（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－流钢中孔直径〕÷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〕＋2×（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φC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。
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。
4 浸入式水口渣线的确定 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＝3×（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。
图4 浸入式水口渣线位置 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。
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： 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
