一种新型连铸中间包水口的研究与实践

2023-01-04崔新华

工业炉 2022年5期

崔新华

（河北鑫达钢铁集团有限公司技术部，河北唐山 064400）

目前炼钢连铸工序使用中间包盛装钢液，钢液通过中间包水口下行流至连铸结晶器，完成钢坯的定型出坯。钢液流经的中间包水口是钢液的通道，也是中间包与结晶器连接的咽喉要道，它的寿命长短决定着中间包使用寿命的长短，同时也制约着产量的提升和质量的优劣。

1 中间包水口使用现状

现在炼钢行业提倡提产提拉速，在连铸高拉速过程中，现有中间包的上、下水口内的锆芯上边缘均与母体上边缘齐平设置，且锆芯内的钢液流经孔入口为90°垂直角，锆芯入口处不断受钢水高流速的直击冲刷，易损坏；下水口的钢液流经孔入口也为90°垂直角，上、下水口处易直接互相冲刷产生侵蚀、出现缝隙而产生夹钢现象。此外，现有上、下水口内锆芯外直径最大为45 mm，在提高拉速的情况下，高流速的钢水强烈冲刷锆芯内壁，使锆芯内孔径不断扩大，锆芯壁不断变薄，甚至贯穿，从而发生漏钢现象，造成安全事故。

某钢铁企业常规中间包上水口，属于圆台型，上部直径为150 mm，下部圆台直径为85 mm，高度为150～200 mm，根据包型有不同的高度，上水口主要由壳体（母体）和内部芯管组合而成，分别由两种材质进行组合而成，外部的壳体（母体）是铝碳质，起到保护芯管的作用，内部的芯管为锆质（ZrO），内径为15～24 mm，外径为45 mm，是钢液流经通道；壳体为圆台形，内部的芯管为圆柱形，两者镶嵌在一起，钢液流经锆芯通过上水口，通过下水口出来，到达连铸结晶器。

下水口（又称滑块）也是由壳体和内部芯管组合而成，材质与上水口一致。上、下水口配合使用，如图1所示。上水口随中包内的水口座砖直接镶嵌在包底的干式料中，随包龄同步下线；下水口根据连铸不同的拉速而选择不同直径锆芯的水口，在生产中可以使用快换工具进行快速更换。

图1 中间包上下水口配合安装示意图

对于此种常规上、下水口，在使用中，出现水口内部锆芯不耐侵蚀，使用寿命低，中包提前下线的问题，制约着连铸生产的连续性和安全性。

2 中间包水口的优化设计

2.1 设计思路

某钢厂技术人员针对水口使用过程中存在的寿命低和安全性差的问题，结合山东某耐材企业经验进行研究，决定在现有中间包水口的基础上，对内部的锆芯进行优化设计，重新改造，开发一种新型的中间包水口，主要目的是克服原有水口的不足，提高水口使用寿命，提高中包产量，具体思路如下：

（1）扩大上水口和下水口内锆芯的直径，以适应高拉速生产下钢液对锆芯的冲刷；

（2）上水口和下水口锆芯的入口处均设置倒角，以减缓高流速钢水对锆芯入口的直接冲刷，延长其使用寿命，减小上、下水口之间由于冲刷回流产生缝隙而出现夹钢的几率。

2.2 详细设计优化方案

一种连铸钢液中间包水口，包括上水口和下水口，上水口镶嵌于座砖内，并间隔固定于中间包体的底板内，下水口的上端与上水口下端密封接触，上水口包括上水口母体、第一锆芯及第一钢液流经孔，第一锆芯镶嵌设置于上水口母体内，第一锆芯内设置第一钢液流经孔，第一锆芯设置为圆柱型，其外直径d1为50～65 mm，第一钢液流经孔孔径为20～22 mm，上水口母体的上入口处内壁倾斜设置，其倒角β1为30°～45°，第一锆芯的上入水口处的内壁倾斜设置，其倒角α1为30°～45°，β1≥α1；下水口包括下水口母体、第二锆芯及第二钢液流经孔，第二锆芯镶嵌设置于下水口母体内，第二锆芯内设置第二钢液流经孔，第二锆芯设置为圆柱型，其外直径与第一锆芯的外直径相同，第二钢液流经孔的孔径与第一钢液流经孔的孔径相同，第二锆芯上端钢液入口处的内壁倾斜设置，倾斜倒角α2为30°～60°，第二钢液流经孔与上水口内的第二钢液流经孔对齐设置在同一中心轴线上。上下水口配合如图2所示。

图2 上下水口配合示意图

连铸钢液中间包水口，第一锆芯的高度h1为80～90 mm。

连铸钢液中间包水口，下水口母体外设置有钢套，钢套的厚度为2 mm，长度为下水口母体外侧壁长度的4/5，由下水口母体下边缘向上设置；下水口母体的上端设置有安装块，安装块与下水口母体一体成型，安装块设置为长方梯形，高为25 mm，上端的长边小于下端的长边，下端的长边长为65 mm，宽为85 mm。

下水口母体设置为圆台型，其上圆直径大于下圆直径，上圆直径为120 mm，下圆直径为75 mm，高度为80～100 mm。下水口母体外设置有钢套，钢套的厚度为2 mm，长度为下水口母体外侧壁长度的4/5，由下水口母体下边缘向上设置。在下水口更换时，钢套可以有效减缓下水口母体所受的外力冲击，提高下水口母体的使用寿命。下水口母体的上端设置有安装块，两者一体成型，且用材相同，安装块为长方体形或梯形，便于现场下水口的更换以及与上水口的对接安装。

连铸钢液中间包水口，第二锆芯下端的出水口距离所述下水口母体下边缘的距离h2为20～30 mm，下水口母体出水端的内壁倾斜设置，倾斜角β2为30°～45°。

同一拉速情况下，上水口和下水口内的锆芯选择同一尺寸，且第一钢液流经孔和第二钢液流经孔的孔径也相同。上水口内的锆芯的直径、第一钢液流经孔的孔径、锆芯的高度、上水口母体入口倒角以及锆芯入口倒角的设置需根据现场生产情况进行调整；同样，下水口（滑块）的锆芯的外直径尺寸可自行设计，根据现场生产情况可以随时进行更换，灵活性较大，使用性较强。上水口和下水口内的锆芯直径需保持相同。

连铸钢液中间包水口，第一锆芯和第二锆芯的显气孔率均为13%，体积密度为5.3 g/cm3。

2.3 拉速与水口的匹配优化

锆芯外直径与拉速和孔径之间的选择关系：连铸过程中，现有锆芯的外直径最大为45 mm，其适用的最大拉速为2.5 m/min，对应第一钢液流经孔和第二钢液流经孔的最大孔径为20 mm，现提倡提拉速来提产，而拉速越大，选择的锆芯的孔径越大，而孔径越大，锆芯的壁厚则越薄，在高流速钢液的冲刷下，锆芯抵御钢液冲刷性能降低，为保证锆芯的正常使用寿命，限制孔径的最大值，因而也限制了拉速的提升，无法达到提产的效果。

在本次研究设计中，将第一锆芯和第二锆芯的外直径扩大至50～65 mm，优选外直径为50 mm、55 mm、60 mm以及65 mm。可适应孔径达到20～22 mm，拉速范围提升至2.6～3.1 m/min。在连铸结晶器选定的情况下，锆芯外直径小于50 mm时，高拉速生产时，需要增大钢液流经孔的孔径来提高拉速，则锆芯壁厚度相应减小，锆芯抵御高流速的钢液对其强烈冲刷能力降低，缩短锆芯的使用寿命；但是锆芯的外直径尺寸若大于65 mm，则上水口母体和下水口母体的壁厚就会相应减小，其对锆芯的保护作用便会减弱，因此，在满足高拉速生产情况下，既能延长锆芯的使用寿命，又不会影响上下水口母体对锆芯的保护作用，本设计中将锆芯的外直径优化为50～65 mm。

锆芯外直径与拉速之间的对应关系见表1[1]。