连铸三大件

在连铸过程中，钢水在结晶器内形成坯壳，初始坯壳是在钢液与保护渣交界之处开始形成的，故起到了隔绝空气，防止钢水二次氧化的作用。

保护渣随着结晶器的振动，从弯月面处流入结晶器和坯壳的气隙中。

由于结晶器的冷却作用，熔渣沿着结晶器壁在初生的坯壳表面形成凝固的渣皮。

渣皮随着结晶器向下振动而被带到下方，在坯壳与结晶器之间形成了保护渣层，随着拉速的提高，钢水与结晶器壁的热交换加强，坯壳表面升温，此时的保护渣层被加热而形成熔融状态的渣膜，用来润滑铸坯坯壳与结晶器壁，防止“黏结”现象产生。

结晶器上部，由于坯壳紧贴结晶器壁而受到急剧冷却，而下部由于坯壳的收缩产生的气隙，致使热阻增加，导出热量减少。

恰好渣膜均匀地填充其中，既减少了结晶器上部的热传导又加速了结晶器下部的热传导，促进坯壳的均匀生长，防止热裂纹的产生。

随着拉坯连续进行，保护渣不断地被带出结晶器。

为保证连续浇注必须不断地分批向结晶器内添加相应量的保护渣。

通常保护渣耗量为吨钢0.5kg左右。

为了保证各渣层具有合适的厚度，添加新保护渣时要做到勤加、少加，黑渣操作。

问：保护渣的主要理化性能指标有哪些项目？
[答]：检验保护渣理化性能的指标主要有：
（1）熔化温度。

由于多组分的熔渣通常没有固定的熔点，因而把具有一定流动性时的温度定义为“熔化温度”，通常称之为“半球点”。

（2）熔化速度。

熔化速度是指保护渣在一定温度下单位时间内其熔化的量。

（3）分熔倾向。

渣粉在熔化过程中总是低熔点的组分先熔化，高熔点的组分后熔化，由此会破坏熔渣层的均匀性。

（4）黏度。

黏度是指保护渣在一定温度下的粘滞程度，一般是在1300℃时测定的。

（4）表面张力。

表面张力是研究渣—钢界面现象和界面反应的重要参数。

问：结晶器保护渣与浸入式水口的作用有哪些？
[答]：结晶器保护渣的作用是：
（1）隔绝空气，保护结晶器液面不受空气二次氧化；
（2）绝热保温；
（3）吸收钢液中上浮的夹杂物；
（4）润滑凝固坯壳并改善凝固传热。

（5）结晶器保护渣必须与浸入式水口配合使用，钢包（大包）向中间包注入钢水时也采用浸入式水口。

浸入式水口的作用是：
防止注流的二次氧化，避免注流将钢液面上的浮渣带入铸坯，并可使结晶器内液面平衡，防止注流冲刷凝固层造成漏钢和拉裂。

问：钢包→中间包使用长水口保护的效果如何？
[答]：连铸优特品种钢的过程中，钢包→中间包使用长水口保护浇注后的效果体现在如下几个方面：
（1）减少了钢中总氧量。

铸坯中总［O］在使用长水口时为20~25×10-6，在敞开浇注时为40~50×10-6。

总［O］减少，说明铸坯中Al2O3夹杂少了。

（2）减少了钢中酸溶铝损失。

钢包→中间包钢水［Al］损失，对塞棒钢包，用长水口为0.0054%，敞开浇注为0.0119%。

对滑动水口钢包，用长水口为0.0018%，敞开浇注为0.0196%。

采用长水口后，由于［Al］氧化少了，几乎消除了铸坯皮下Al2O3夹杂。

用火焰清理铸坯表面发现，使用长水口保护的95%铸坯无皮下夹杂，而未用的为63%。

（3）减少了渣中Al2O3含量。

使用长水口浇注，中间包渣中Al2O3达20%~25%，结晶器渣Al2O3＜10%；而敞开浇注时，中间包渣中Al2O3为30%~ 40%，结晶器渣Al2O3为10%~20%。

结晶器保护渣中Al2O3降低，改善了渣子流动性，传热均匀，减少了铸坯纵裂和漏钢，同时也降低了Al2O3堵水口的概率。

（4）由于夹杂物的减少，提高了产品的质量。

（5）减少了钢水温度损失，减少吸［N］10~30×10-6，且有利于稳定操作和安全生产。

问：保护浇注有哪些方法，其含义分别是什么？
[答]：概括地说有四种：
（1）气体保护法。

目前常用氩气、氮气作为保护气体，因其对于钢液是惰性气体，它与钢液中的活泼元素（如Al、Ti、Si、Mn）不发生化学反应；作为钢包→中间包或中间包→结晶器的保护气体，保护气体中的［O2］＜1%，才能有效地防止二次氧化，起到保护作用。

（2）液体保护剂。

液体保护剂可分为三类：矿物油、植物油和合成油。

合成油一般是矿物油的混合物。

小方坯连铸机敞开浇注的结晶器目前广泛使用菜籽油作润滑保护剂。

油流到结晶器四周的铜壁并附着其上形成油膜，当油膜与高温坯壳接触就裂解，油挥发成含CH化合物的还原性气体，在弯月面起防止空气二次氧化的作用，同时有碳沉积在铜壁上，当结晶器向下运动时，油或碳被挤入到坯壳与结晶器壁之间起润滑作用。

菜籽油用量一般为0.2~0.3L/t 钢。

（3）固体保护剂。

中间包钢液面用覆盖剂（如碳化稻壳）或双层结构的覆盖渣，结晶器采用保护渣，均可防止二次氧化。

目前浇注优特钢品种均采用专用结晶器保护渣进行保护浇注。

（4）物理保护法。

连铸生产优特品种钢的过程中，采用较多的物理保护方法是：钢包→中间包采用Al-C质长水口，将长水口插入中间包熔池里100mm左右，机械地把注流与空气隔开，同时避免了注流冲击到中间包熔池面引起的钢水裸露和飞溅造成的二次氧化。

保护的关键是钢包滑动水口与长水口连接部位密封状况，该区域是空气最容易进入的部位。

因长水口内径大未被钢流充满，如同一个抽气泵把空气从接缝处吸入。

为防止在接缝处吸入空气，可采用下述办法解决：1）接缝处使用耐火纤维密封圈；2）接缝处使用金属环并通氩气；3）在接缝处直接通氩气；4）在接缝严密处通入氩气，使长水口顶部区形成正压区。

问：保护介质的工艺功能是什么？[答]：保护介质有以下主要功能：（1）把液体金属与空气隔开防止二次氧化；（2）减少中间包、结晶器钢液面的热辐射损失，防止表面结壳；（3）吸收从钢液中上浮的夹杂物；（4）在结晶器铜壁与凝固坯壳之间起润滑作用。

为完成上述功能，保护介质必须具备有良好的物理性能。

问：全水喷嘴与气—水雾化喷嘴比较有什么不同？[答]：一般小方坯喷嘴选择的思路如下：（1）一般普碳钢和建筑用钢大多仅仅采用全锥形喷嘴就可以了；（2）对特殊钢来说，诸如不锈钢、特殊要求的弹簧钢、轮胎钢丝线钢等，要求相对复杂、控制精确的冷却系统，它需要较宽的水量调节比例范围和弱冷，而弱冷所需要的水量又往往是低于水喷嘴所能提供的最小雾化流量。

这时候就要使用气-水雾化喷嘴。

（3）两种喷嘴的特点见表所示。

表全锥形水喷嘴与气—水雾化喷嘴的特点全锥形水喷嘴
气-水雾化喷嘴有效水量调节范围：一般最多1∶3.5水量调节范围较宽：一般可达1∶10以上喷嘴孔径较小，较易堵塞孔径较大，一般不易堵塞因为流量靠压力调节，因此传热系数较低由于压缩空气的提供动能，因此较高的传热系数就可能实现喷嘴喷射宽度（面积）常常因水压的变化而不同（特别是扁平喷嘴），往往很难一直做到水量分布的均匀基本能保持喷射面积，因此无论在何种条件下都能保持水量分布均匀问：如何采用喷嘴幅切调宽，来满足板坯连铸机规格调宽的要求？[答]：板坯连铸机生产的铸坯宽度规格多时需要采用喷雾调宽系统，就是不同的板坯宽度采用相对应的喷水覆盖宽度。

以前，有些铸机目前仍在采用液压或机械升降喷嘴配管的方式进行调宽，其缺点是浪费水气能源，因为它不管铸坯宽度的变化，都按最宽的宽度全开喷嘴，部分水雾喷到铸坯以外，更主要的是其喷水分布不均匀会引起质量问题。

近年来，越来越多的板坯连铸机采用喷嘴幅切调宽系统。

只有设计与制造较好的水流量调节特别宽的喷嘴，才可以保证喷嘴配管调高后连铸坯的水分布，大部分能够满足要求。

采用幅切调宽系统，也就是喷嘴喷射高度、间距、型号均保持不变，通过开关不同的控制回路满足宽度变化要求，操作容易，性能有保证。

问：特钢板坯连铸喷嘴如何进行在线检测？[答]：无论是采用定期强制更换维修制度，还是查看二冷阀后压力、铸坯表面颜色，都有滞后问题，当确定喷嘴有问题，质量损坏通常已经产生，有时会很严重。

所以对于质量要求特别严格的高档钢种，国外正在开发一种新型的喷嘴在线检测技术，即对在线的每个喷嘴进行实时性能检测，可以即时判断出具体哪个喷嘴存在喷嘴堵塞、磨损、漏水、漏气。

高拉速连铸保护渣有哪些特点？[答]：当拉速大幅提高时，钢液面上液渣层厚度会随拉速提高而减薄，成渣速度跟不上，液渣来不及补充到规定的厚度，这样会引起坯壳和铜板之间渣膜很薄甚至没有导致黏结漏钢事故。

同时也使铸坯纵裂纹的发生概率增加。

因此随着拉速提高，应设法保持保护渣的消耗量，以稳定液渣层厚度。

具体如：提高渣的熔化速度，以控制液渣层厚度在10~20mm之间，保证流入坯壳和铜板之间渣量稳定。

降低渣的熔点，半球点温度小于1150℃。

降低渣的黏度，在1300℃的黏度小于0.1Pa·s。

问：保护渣在结晶器中的机理是什么？[答]：当固体粉状保护渣加入结晶器后，吸收高温钢水热量，迅速地在钢水面上形成液渣层。

液渣层之上是烧结层（亦称过渡层，其中包括半熔层），最上面则是松散的粉状层，这就是常说的三层结构。

连铸结晶器与浸入式水口和塞棒（下）
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。