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浸入式水口

作者:admin 发布日期: 2019-12-20 二维码分享

(1)浸入式水口结构、选材及性能指标。浸入式水口是钢液.后接触的耐火材料,也是在连铸工艺中.关键,研究.多的功能耐火元件。它上接中间包下连结晶器,作用之一是将钢水输送到结晶器,并保护钢水不发生二次氧化,防止氮溶入或渣混入钢水及防止钢水飞溅,作用之二是通过合理设计水口结构,特别是钢液吐出口之倾斜角度和结构形式,在结晶器内产生合理的流场和温度场分布,避免卷渣、拉漏等事故发生,合理的水口结构设计需经水模拟试验和计算机模拟计算。浸入式水口的品质好坏直接影响到连铸工艺的正常进行、连铸时间的长短及铸坯质量。所以,对浸入式水口的要求是结构要合理,保证结晶器内钢液面的平稳,合理的流场分布和温度场分布,减少因流场问题产生的搭桥,冲刷坯壳,拉漏等事故;抗热震性良好,能经受现场使用时的较苛刻的热冲击条件,保证使用时的绝对安全可靠性;具有良好的抗侵蚀性和抗剥落性,高的连浇炉次,满足对越来越长的连铸时间的要求。

浸入式水口的结构和材质因连铸工艺、连铸钢种的不同而有所不同。有整体塞棒和浸入式水口控流系统,上水口-滑动水口-浸入式水口系统控流,塞棒-上水口-快换结构-浸入式水口系统控流等,及薄板坯连铸用扁平式特殊结构的浸入式水口,薄带连铸用起钢水布流作用多吐钢口的水口等。

在材质选择上,有熔融石英质水口,铝炭或铝锆炭质水口以及为解决水口堵塞或浇注一些特种钢和高侵蚀性钢而制作的具有防堵功能或无硅无碳内衬的复合结构水口,如连铸铝镇静钢,超低碳钢,高氧钢,高锰钢等用内衬复合尖晶石的水口。

熔融石英质浸入式水口特点是具有良好的抗热震性,低的售价,一般无堵塞问题,使用时无需专门预热;缺点是不耐侵蚀,特别是在浇铸低合金钢时,SiO2与合金元素,如Mn反应,降低使用寿命。目前已基本被Al2O3-C材质水口代替,仅用于浇注时间不长的连铸工艺中。熔融石英质浸入式水口的生产方法为颗粒泥浆浇注的工艺,主要关键工艺过程包括有熔融石英原料破粉碎,细磨、泥浆的制备,石膏模泥浆浇注成型,干燥、烧成,主要控制的工艺参数有粒度、粉料细度、泥浆的水分和稳定性(pH值)、干燥制度和烧成制度,一般烧成温度控制在1200以下,避免熔融石英结晶化。水口性能指标为:SiO2含量不小于99%,体积密度不小于1.85g/cm3,显气孔率不大于16%,常温耐压强度不小于40MPa

铝炭或铝锆炭质浸入式水口实际为复合材质的水口,依水口部位不同,使用条件和要求不同而选用不同材质。同其他连铸功能耐火材料一样,对浸入式水口来说良好的抗热震性是.基本的要求。水口本体经受强热震和钢液冲蚀,一般都选用铝炭质材料,并且可依使用要求不同选择不同档次和不同碳含量的铝炭质材料。水口碗部为与塞棒棒头配合部位,起着控制钢液供给速度及开关的作用,抗热震或抗剥落,抗侵蚀,抗冲刷要求也很高,常与塞棒棒头选用相同的材质,浇注不同的钢种有不同的选材:常用为铝炭质,钙处理或钙硅处理钢以镁炭质或尖晶石碳合适。渣线是浸入式水口.重要的部位,既是易发生质量事故的部位,又是决定水口使用寿命的关键,ZrO2-C材料的抗侵蚀性和电熔ZrO2含量、质量、稳定化率、粒度组成相关,提高ZrO2含量,可使抗侵蚀性提高,但降低抗热震性。表15-17中给出几个不同厂家生产的浸入式水口的组成和部分性能指标。


(2)浸入式水口渣线材料的抗侵蚀性。浸入式水口渣线位处结晶器钢液和保护渣界面,侵蚀严重,是水口使用过程中.薄弱部位,提高浸入式水口使用寿命的关键是提高渣线ZrO2-C材料的抗侵蚀性。石墨的氧化和在钢液中的溶解及渣液对ZrO2的溶蚀是浸入式水口渣线ZrO2-C材料在使用时所发生的两个.主要侵蚀过程。它和钢液接触时,以石墨氧化和溶解为主;它和渣液接触时,石墨与渣液不浸润,以ZrO2溶蚀为主。减缓二者的蚀损速度,均可起到提高渣线使用寿命的作用。渣液与氧化锆的相互作用主要是渣液与ZrO2颗粒中的杂质和CaO稳定剂的作用。其作用程度的大小与氧化锆颗粒的组成和结构有很大的关系。致密程度低的杂质含量相对高的,在每个ZrO2颗粒内,存在有较多的亚晶界和低熔点物富集区,一方面在浇钢温度和气氛下,稳定剂CaO脱溶会增加ZrO2颗粒内部低熔点相;另一方面,亚晶界和低熔点物富集区构成了ZrO2颗粒的易与渣液反应的通道,使渣液能一直渗入到颗粒内部。渗入的渣液会导致稳定剂CaO更快的脱溶和ZrO2颗粒的裂解,从而使被渣渗入和裂解的ZrO2颗粒在钢液和渣液的反复作用下溶蚀到渣液中。对用后残砖的显微结构观察可以看出,渣层中含有较多的微小ZrO2颗粒,也说明ZrO2颗粒的溶蚀过程为:CaO稳定剂被溶出——ZrO2颗粒被低熔点相分割为微小粒子——裂解的ZrO2颗粒逐渐被溶蚀和冲刷到渣液中。致密程度高和杂质含量低的电熔ZrO2颗粒或Y2O3稳定电熔ZrO2,不论是在渣液作用下,还是在周围气氛作用下,都具有高的稳定性,渣液不易渗入ZrO2颗粒内部,即ZrO2颗粒裂解的程度小,其脱离基体进入渣液的过程被减缓,从而抗渣侵蚀性得以提高。

在提高浸入式水口渣线抗侵蚀方面,主要控制的要素是电熔氧化锆原料的品质(致密程度、稳定化率、纯度等)、氧化锆的加入量、氧化锆的粒度组成,鳞片石墨的品质、合适的添加剂等。表15-18和表15-19给出了不同ZrO2含量、不同ZrO2粒度组成对ZrO2-C材料性能的影响。增加ZrO2含量可以提高抗侵蚀性,但过高的ZrO2含量会导致抗热震性变差,二者比较兼顾的比例是碳含量在15%~20%之间。


(3)水口结瘤和防堵水口。连铸过程中的水口结瘤或堵塞是一常常发生的现象,在上水口、滑动水口、浸入式水口都有发生,特别以在浸入式水口中的结瘤.为常见。钢种不同,浇钢条件不同,水口结瘤或堵塞的机理和堵塞物的种类也不完全相同,至今并未完全解决。水口结瘤影响到正常的浇注过程并影响铸坯质量,长期以来人们对这个问题一直给予较大的关注,采取了多种措施解决堵塞问题。为适应高级钢、洁净钢连铸和高效连铸之发展需要,提高抗侵蚀性和防止水口结瘤至今仍是连铸用功能耐火材料研究的重点之一。

水口结瘤是一多因素共同作用的结果,主要结瘤物是钢液中的夹杂物,而结瘤过程则和耐火材料与钢液间反应,钢液的温度,钢液在水口中的流态,钢液中的夹杂物或脱氧产物的类型,水口内衬成分及水口内表面的光滑程度等等因素有关。可以近似地将水口堵塞过程分为两个阶段:..阶段是水口内表面的粗糙化,即钢液及其内夹杂物与水口表面作用,产生反应层(脱碳层)或冷钢层上的沉积,而且..阶段对是否发生堵塞起决定性的作用。

以浸入式水口为例,.易堵塞的部位是碗部和吐钢口,此处钢液的流场由于截面和流向的突然变化,而产生了涡流或滞流层,钢液中夹杂物受指向耐火材料表面的力的作用,易于在水口内表面形成沉积,并进而形成表面反应层,导致更多的沉积;铝镇静钢连铸易形成氧化铝结瘤和含碳、含硅耐火材料与钢液间可能存在的下述反应有关:

2C(s)+O2(g)=2CO(g)                15-16

SiC(s)+2CO(g)=SiO2(s)+3C      15-17

SiO2(s)+C(s)=SiO(g)+CO(g)      15-18

3SiO(g)+2Al(l)=Al2O3(s)+3Si     15-19

3CO(g)+2Al(l)=Al2O3(s)+3C      15-20

反应式15-16~15~18在水口内表面造成空洞,使耐火材料结构松弛,表面粗糙,易附着,反应式15-19、式15-20是和钢液中Al反应导致Al2O3沉积。

在水口防堵方面,实际生产中选择了两种防堵途径,结构防堵(俗称物理防堵)和材质防堵,它们的结构如图15-5所示。


结构防堵的机理是借助水口在结构上的特殊设计,达到减少或消除结瘤之目的。已在生产中应用的形式有带隔热狭缝结构的水口:水口制造过程中中间有一隔热层,以减小钢液温降,避免发生由冷钢造成的水口堵塞;狭缝式吹氩浸入式水口:水口制造过程中中间有一预留狭缝,通过使用时吹氩来阻止钢液中夹杂物沉积:段差式(Annular Step)结构的浸入式水口是水口内腔直径为分段变化的,流经水口钢液的流态在水口中发生变化减小了涡流和水口内表面的钢液滞流层,从而减小了夹杂物向水口壁移动的作用力,使结瘤减少。旋流式(Swirling Flow)浸入式水口是通过水口内设置的旋片改变钢流态势,减少沉积。段差式结构的浸入式水口于1922年..使用,初始目的是防止钢液在水口中的不稳定流动,但使用后却发现同时还具有很好的防堵效用,使铸坯质量得到了明显的改善。这种水口的开发,使组织优质钢生产,如汽车行业用钢,得以实现。同时,段差式水口是解决偏流的有效措施。偏流在中间包滑板控流的连铸过程中是一较普遍存在的现象,给生产安全,质量控制均带来较大的威胁。其直接影响为:造成保护渣厚度分布不均,液面易结冷钢,是漏钢的隐患;易造成液面卷渣,钢水温度不均,进而造成铸坯夹渣和表面裂纹。采用结构防堵水口减少气孔,避免卷渣,减小结晶器内钢液面波动,稳定钢水在水口内的流动,消除钢液在水口和结晶器中的回流和偏流现象。

材质防堵是在水口内复合具有防堵功能的内衬,如目前已在应用的ZrO2-CaO-C材质复合内衬,无硅无碳的尖晶石、刚玉材质,铝硅系材质等复合内衬。ZrO2-CaO-C材质防堵的原理是:CaZrO3与钢中夹杂物-Al脱氧产物Al2O3反应生成低熔点相被钢液冲走,减少沉积结瘤;无硅无碳内衬,可消除前述式15-16~15-18的反应,保持水口内表面光滑,抑制了与钢液中Al的反应和Al2O3附着,起防止结瘤作用。内部复合无碳材料的浸入式水口已成为当前材质防堵水口的主导,除了那些被早已阐明的与碳,硅的反应有关的原因外,无碳内衬水口内表面光滑和导热系数远低于含碳材料也是其抑制氧化铝沉积的重要原因或主要原因。日本TYK公司开发的无碳内衬水口组成为Al2O365%SiO235%,显气孔率20.2%,体积密度2.51g/cm3,抗折强度10.9MPa,不仅用于浸入式水口,也用于中间包上水口,及某些有堵塞问题的有色金属熔铸等。该公司同时还开发了复合防堵机制的水口:防止冷钢结瘤的无碳内衬+隔热狭缝水口,无碳内衬+吹氩水口等,以有针对性地解决不同原因造成的堵塞现象。表15-20汇总了几种不同材质内衬材料的化学组成和有关性能指标。


总之,消除或防止结瘤的原则是钢液具有合适的过热度,水口内表面尽可能光滑,钢液在水口中流态合理,涡流小,耐火材料与夹杂物反应程度小等。具体防堵措施的采用、防堵内衬材料的设计和选择要结合实际造成堵塞的原因,视堵塞过程不同而行。

(4)洁净钢连铸用浸入式水口。常规铝炭材质浸入式水口不适应洁净钢、高级钢,如汽车用超低碳钢板、电工钢等和一些高侵蚀性钢种如高氧钢、钙处理钢、高锰钢等连铸要求,存在对钢液增碳,内壁、特别是吐钢口不耐侵蚀和冲刷,使用寿命明显下降,影响钢坯质量等问题,需使用其他抗侵蚀性高的内衬材料。已开发的有复合结构的浸入式水口,内衬复合无硅无碳的尖晶石材料、出钢口处复合尖晶石-碳质材料,浇注超低碳高氧钢(C含量小于0.004%,氧含量在0.01%~0.006%)抗侵蚀性远好于铝炭水口。尖晶石材料不与钢中MnOFeO反应,不仅不熔蚀,并且在工作面形成致密层而具有高耐蚀性。复合水口已在高锰钢和高氧钢连铸中推广应用,也适用于不锈钢,易切削钢、钙处理钢。

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