浸入式水口和塞棒

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。

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。

图1 浸入式水口示意图
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：
图2 水口尾部在结晶器中的位置
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。

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
图4 浸入式水口渣线位置
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。

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
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。