連鑄用浸入式水口和長(zhǎng)水口的結(jié)構(gòu)與材質(zhì)探討

楊 晉

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063210）

相對(duì)于常規(guī)鑄錠來(lái)說(shuō)，耐火材料的質(zhì)量對(duì)于整個(gè)工藝的效果有更大的影響，所以在連鑄加工過(guò)程中，必須要對(duì)耐火材料有更高的性能要求。同時(shí)，因?yàn)殇撍c空氣接觸后會(huì)發(fā)生氧化使得鋼種出現(xiàn)雜質(zhì)，所以當(dāng)前的大型板坯連鑄機(jī)都已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了封閉式的無(wú)氧化作業(yè)，這樣大包與中間包之間以長(zhǎng)水口實(shí)施保護(hù)，而中間包到結(jié)晶器之間有浸入式水口。在這樣的工藝流程中，包括浸入式水口、長(zhǎng)水口在內(nèi)的功能性耐材，需要持續(xù)接受鋼水沖刷，這對(duì)于其結(jié)構(gòu)和材料來(lái)說(shuō)是很大的挑戰(zhàn)。如果其結(jié)構(gòu)合理程度或材料性能狀況不佳，就需要針對(duì)這些部位的材料頻繁更換，這不僅會(huì)加大材料成本的指出，更會(huì)對(duì)連鑄作業(yè)本身造成影響。所以說(shuō)，功能性耐火材料的性能對(duì)于整個(gè)連鑄作業(yè)的效果有非常重要的影響[1]。

1 浸入式水口

在連鑄作業(yè)中的浸入式水口，一端連接中間包，一端連接在結(jié)晶器，中間包到結(jié)晶器之間有浸入式水口。其主要作用一方面體現(xiàn)在向結(jié)晶器注入鋼液體方面，另一方面體現(xiàn)在防止鋼業(yè)氧化作業(yè)。所以從其作用上我們可以看出，作為功能耐火件，其必須要具備良好的貫通性能和密封新能。所以，考慮浸入式水口的設(shè)計(jì)和材質(zhì)選擇，必須要充分考慮到鋼流的狀態(tài)，鋼坯的表面形狀以及其凝固狀態(tài)。

1.1 浸入式水口的形狀

根據(jù)浸入式水口的安裝方式的不同，有兩種不同的模式，一種是內(nèi)裝式浸入式水口，另一種是外裝式浸入式水口。但是，我們所談的水口形狀的設(shè)計(jì)或選擇，主要指的是鋼流出口角度和形狀。之所以我們需要針對(duì)水口形狀展開(kāi)合理設(shè)計(jì)，是為了更好的使得結(jié)晶器內(nèi)雜物上浮，然后將其取出。但是，在實(shí)際澆注作業(yè)中，不同鋼種，不同澆注速度，不同結(jié)晶器斷面尺寸，在澆注作業(yè)中都會(huì)有不同的需求，所以事實(shí)上并不能夠簡(jiǎn)單定義某種形狀更加理想。當(dāng)前，常用方法是基于水力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)選擇。

如圖1所示，為浸入式水口澆注過(guò)程中結(jié)晶器內(nèi)鋼流運(yùn)動(dòng)狀況。從圖中我們可以看出，在浸入式水口周?chē)捎阡摿鞯淖⑷霑?huì)使得液面出現(xiàn)強(qiáng)烈的翻騰和攪動(dòng)，這樣鋼液以及其中的夾雜物也會(huì)同時(shí)產(chǎn)生劇烈運(yùn)動(dòng)。在這樣的情況下，一旦鋼水停止在凝固殼前停止運(yùn)動(dòng)，那么其中的夾雜物就有很大概率會(huì)被凝固殼去除。

圖1 浸入式水口澆注過(guò)程中結(jié)晶器內(nèi)鋼流運(yùn)動(dòng)狀況

所以，我們?cè)诳紤]浸入式水口的形狀應(yīng)當(dāng)采用哪一種時(shí)，就是基于能夠讓鋼流對(duì)凝固殼前沿有較強(qiáng)沖洗作用來(lái)考慮的。然而，這也會(huì)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，就是如果凝固殼在局部位置，總是持續(xù)受到鋼流的猛烈沖擊，這會(huì)使得凝固殼在使用過(guò)程中的厚度不均問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，最后發(fā)展為縱裂故障，甚至有可能引發(fā)漏鋼事故。此外，在液相穴內(nèi)，注流的進(jìn)入深度同樣至關(guān)重要。通常情況下我們認(rèn)為，如果注流深度相對(duì)較淺，那么鋼液中氣體、雜物的上浮分離更加容易；如果注流深度相對(duì)越深，則鋼液中的雜物被凝固殼捕捉更加容易。但是，如果深度太淺，又會(huì)造成結(jié)晶器液面翻騰過(guò)度激烈，進(jìn)而造成液面保護(hù)渣再次被卷入鋼液。所以說(shuō)，在實(shí)際的設(shè)計(jì)和選擇過(guò)程中，必須要充分考慮到澆注斷面大小、澆注速度大小，選擇更加有利的水口形狀。假設(shè)我們澆注的是板坯、大型方坯，那么選擇有不同注入角度的側(cè)孔水口更加有利；假設(shè)我們澆注的是小斷面坯，那么選擇直孔向下浸入式水口則更加有利[2]。

1.2 浸入式水口材質(zhì)選擇

連鑄作業(yè)需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)作業(yè)，同時(shí)還需要滿(mǎn)足多種鋼材澆注的需求；所以對(duì)于浸入式水口材質(zhì)的選擇必須要慎重。通常要求其具有耐剝落性、耐腐蝕性等特點(diǎn)，另外必須要能夠有效防范水口堵塞。

當(dāng)前應(yīng)用較為頻繁的水口材質(zhì)主要有以下幾種：熔融石英質(zhì)、高氧化鋁石墨質(zhì)、皓石質(zhì)和氧化鋯質(zhì)。各種材料有其好的方面，但也有其劣勢(shì)的方面。比如，熔融石英質(zhì)導(dǎo)熱性能弱，所以耐高溫，特別是對(duì)急冷急熱有很強(qiáng)的抵抗性；同時(shí)作業(yè)過(guò)程中AL2O3不會(huì)黏附與水口內(nèi)壁，工作過(guò)程中不需要預(yù)熱；然而也有其顯著劣勢(shì)，對(duì)于Mn含量較高的鋼種，熔融石英質(zhì)耐熔性不足；另外容易吸水會(huì)發(fā)生結(jié)晶析出現(xiàn)象。

氧化鋁石墨質(zhì)是一種對(duì)大多數(shù)鋼種，都有較好應(yīng)用性能的材料，不但具有氧化鋁的高耐火性?xún)?yōu)勢(shì)，而且同時(shí)具有石墨質(zhì)的浸潤(rùn)性低優(yōu)勢(shì)；所以受到廣泛歡迎。但是這種材料也有問(wèn)題，那就是脫碳、渣線部分非常容易受到侵蝕，另外這種材質(zhì)導(dǎo)熱性過(guò)高，而且作業(yè)過(guò)程中容易因?yàn)槲龀龆斐伤诙氯?/p>

隨著科技的不斷發(fā)展，一些新型材料也逐漸成為人們的選擇。比如，ZRM材料就是在兩種基礎(chǔ)材質(zhì)中加入了ZrO2-3AL2O3-SiO2，并且逐漸在應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛推廣。這種ZRM材質(zhì)參與的浸入式水口，在作業(yè)中由于與鋼液的接觸，很容易生成一種有細(xì)微ErO2結(jié)晶的致密層，這層致密層的存在能夠讓鋼流受到的阻力大大降低，從而在防止水口堵塞方面發(fā)揮非常好的效果。

1.3 保護(hù)渣線部位的材質(zhì)

保護(hù)渣在使用過(guò)程中，需要解決的是避免其與結(jié)晶器粘結(jié)，這樣就能夠針對(duì)鋼流中的雜質(zhì)發(fā)揮應(yīng)有的捕集作用。在實(shí)際應(yīng)用中，各鋼廠都是充分考慮鋼液的種類(lèi)以及生產(chǎn)的條件，進(jìn)而選擇合適的保護(hù)渣材料。較為常用的材料為CaO和SiQ2，二者之間按照1：1配比。而浸入式水口與保護(hù)渣接觸的部位，通常采用氧化鋯-石墨材質(zhì)，并且隨著氧化鋯含量的增加，其耐腐蝕性越來(lái)越高。

2 長(zhǎng)水口

在連鑄作業(yè)中的長(zhǎng)水口位于鋼水包滑動(dòng)水口下水口，其主要作用是避免鋼液在向中間包流動(dòng)的時(shí)候與大氣接觸而發(fā)生氧化。對(duì)于連鑄作業(yè)來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)水口具有非常重要的意義，既關(guān)系著其成鋼效率，又關(guān)系著收得率。所以，對(duì)于長(zhǎng)水口的形狀，材質(zhì)的選擇同樣意義重大。與浸入式水口相比，長(zhǎng)水口同樣需要具備耐裂性、耐蝕性等諸多優(yōu)勢(shì)。

與浸入式水口相比，長(zhǎng)水口在使用過(guò)程中有更高的概率會(huì)發(fā)生裂紋或折損，所以在材質(zhì)選擇的過(guò)程中，要更加注重其耐裂性能。因?yàn)榫屯庑蝸?lái)說(shuō)，長(zhǎng)水口更大，重量也更重，無(wú)論是在安裝過(guò)程中還是使用過(guò)程中，受到的機(jī)械沖擊都要大的多。而且，與浸入式水口相比，長(zhǎng)水口并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)性的預(yù)熱裝置，所以使用過(guò)程中，需要承受更加嚴(yán)重的急熱。

針對(duì)長(zhǎng)水口的耐蝕性，主要需要在以下幾個(gè)部位給予重視。一是與鋼水接觸的位置，二是浸入內(nèi)孔和渣線部位。由于長(zhǎng)水口與鋼包結(jié)合部，事實(shí)上很容易有大氣進(jìn)入，所以這個(gè)位置鋼水很容易發(fā)生氧化作用進(jìn)而受到腐蝕。而浸入內(nèi)孔，與鋼水接觸位置具有同樣的腐蝕原理，而且往往面臨著金屬磨損與化學(xué)腐蝕的雙重作用，所以一般情況下都是蝕損程度最高的部位。渣線部位的問(wèn)題幾乎與浸入式水口相同。

通過(guò)上面的分析我們可以了解到，長(zhǎng)水口的條件和要求同樣非常嚴(yán)格，其中最嚴(yán)格的的要求是無(wú)折損、無(wú)裂紋。所以在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，往往會(huì)特別加入10%～30%的熔融二氧化硅；這樣固然能夠讓材質(zhì)的耐熱性能大幅提升，然而卻影響了其耐蝕性。基于此，可以使用鱗片狀石墨、氧化鋁作為長(zhǎng)水口的材料；這樣的問(wèn)題在于天然原料的鱗片狀石墨，其自由度相對(duì)較小。另外，改良氧化鋁也可以在一定程度上彌補(bǔ)這一缺陷，但是基于不同原料的氧化鋁，其耐蝕性能事實(shí)上還是有很大差異的。隨著金屬纖維強(qiáng)化材料的研發(fā)成功，對(duì)于改善長(zhǎng)水口材質(zhì)起到了非常重要的作用；這種材料對(duì)于改善長(zhǎng)水口折損，發(fā)揮了很好的效果。

3 小結(jié)

綜上所述，連鑄用浸入式水口與長(zhǎng)水口對(duì)于連鑄作業(yè)的效率和質(zhì)量都有重要的意義，所以必須要慎重對(duì)待其結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的選擇。上面談到的相關(guān)材料，僅僅是當(dāng)前的選擇，隨著材料科技的不斷發(fā)展，未來(lái)一定有更適合的材料出現(xiàn)，這對(duì)于推動(dòng)連鑄作業(yè)的良性發(fā)展有重要意義。