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1、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
2、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 A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，B 为碗部的开口度，C 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，D 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
3、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 C。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 C，大多在 5085mm 之间，其他类型为 5030mm，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 C值在什麽范围，除小方坯连铸外，其喉线深度一般均在 4060mm 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 4070mm 范围内，其中以半径 R 值等于 50mm 的为主。水口碗
4、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 B。在国内，浸入式水口碗部的开口度 B值一般在 90140mm 之间，大多数为 115mm 或 125mm。而浸入式水口头部的外形尺寸 A等于碗部的开口度 B加上（2045mm） ，即： AB（2045mm ） 。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 B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 B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
5、水口圆锥体终端，也就是水口头部的下口，其外径为 D。通常 D值等于水口流钢中孔的直径 C加上（4075mm ） ，即：DC（4075mm） 。由此可以推定，水口头部的下口的壁厚为（ 4075mm ）/2，即壁厚为 2037.5mm。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 150260mm 之间；而在图 1-B 中，水口圆柱体与圆锥体的总高度 h 值在 140300mm 范围内，其中圆柱体高度 h2 值落在 2080mm 圈内，而大多数取值为 30 50
6、mm。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 160380mm 之间；3）圆坯连铸用结晶器，尺寸为 150mm310mm ；4）板坯连铸用结晶器，窄面尺寸在 140mm300mm 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
7、生结壳和搭桥现象。一般来说，在结 晶器窄面各预留 30mm40mm 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（3040mm ）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 1730mm 之间，建议选择 2025mm 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（2025mm ） 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
8、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 C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 1530 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 2540mm 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
9、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 5060mm 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 h3（5060mm）即渣线高度为 150180mm。国内浸入式
10、水口的渣线高度在 140200mm 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 815mm 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
11、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
12、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 1250mm 之间，对于大多数小断面方坯和圆坯来说，R1 的值在 1235mm 范围内；对于大板坯则在 3550mm 之间。棒头头体的圆弧
13、面的半径 R2 的值在 120200mm 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 100150mm 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 60120mm 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 50100mm 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
14、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
15、 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
16、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（2530）% 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
