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1杨杰：yangjie72@sina.com薄板坯连铸用浸入式水口国产化与技术优化杨杰1彭国仲1王爱东1杨春政1张洪波1吴振刚1郭连英1朱万彤2赵连刚2（1.唐山钢铁股份有限公司，唐山063016；2.鞍山市东方巨业高级陶瓷有限公司，鞍山114042）摘要唐钢针对进口浸入式水口频繁断裂、穿孔等问题，进行薄板坯连铸用水口国产化研究，通过水口断裂原因分析，发现在现有条件基础上，进一步提高水口的热震稳定性是解决问题的关键，由此确定提高水口内壁气孔率、采用横、纵向复合结构，同时兼顾水口耐侵蚀性的技术方案，并通过相关技术优化和多次生产试验，最终开发出长寿命的国产水口。采用计算机数字仿真方法，进行了结晶器内钢水流动和传热凝固过程的理论计算，在流场研究的基础上，优化了水口形状，开发出具有自主知识产权的新型四孔水口。关键词薄板坯连铸浸入式水口热震稳定性长寿命国产化新型水口ThedevelopmentoftheHome-madeSENofthinslabcastingandthetechnologyoptimizationYangJie1PengGuozhong1WangAidong1YangChunzheng1ZhangHongbo1WuZhengang1GuoLianying1ZhuWantong2ZhaoLiangang2（1.TangshanIron&SteelCo.,Ltd.，Tangshan063016；2.AnShanDongFangJuYeseniorceramicsCo.,Ltd.，AnShan114042）Abstract:InordertosolvetheproblemsofthecrackandpinholesintheSEN(sub-mergednozzle),TISCOresearchedanddevelopedtheHome-madeSENofthinslabcasting.ByanalysingthedamagedreasonofSEN,TISCOfoundthatthekeyofsolvingproblemswastheimproveoftheheatvibrationstabilityofSEN,anddeterminedthetechnologyplanthatincreasingtheairholesratioofSENinterface,makingwiththecompoundstructureinthetransverseandlongitudinaldirectionoftheSEN,assuringanti-corrosionabilityoftheSEN,byothertechnologyimprovementsandExperimenttest,TISCOdevelopedtheSENwiththelongworkinglifeatlast.thecomputerdigitalsimulationmethodisusedtocalculatetheliquidmovementinthemouldandthesteelliquidsolidifaction,OnthebasisoftheliquidflowresearchoftheSEN,weoptimizedtheshapeoftheSEN,anddevelopedthepatentSENwiththenewtype.Keywords:thinslabcasting,sub-mergednozzle,theheatvibrationstability,thelongworkinglife,Home-made,newtypeSEN.1.前言薄板坯连铸机以薄规格铸坯赢得低成本先机的同时，对浸入式水口的设计提出了更高要求。受漏斗型结晶器尺寸的限制，薄板坯连铸用浸入式水口形状特异，壁厚较薄，不仅给成型、制作带来极大的困难，水口的长寿命更是成为薄板坯连铸领域的主要研究课题。长期以来，薄板坯连铸用浸入式水口的市场基本被国外耐材公司所垄断，中国的耐材企业一直不能批量生产薄板坯连铸用浸入式水口。唐钢FTSC薄板坯连铸机由意大利Danieli公司引进，采用四孔圆盘型水口（见图1），由于形状复杂制作困难，国外著名奥镁公司无法生产该水口，所以热试初期的水口全部由维苏威公司提供，进口水口不仅价格昂贵，而且在使用过程中经常出现水口断裂、穿孔等问题（见图2），给薄板坯连铸生产造成很大的影响。因此唐钢决定和国内知名的耐火材料厂家合作进行水口国产化研究。浸入式水口的国产化，对中国耐材工业走上国际高端产品的竞争市场，对我国钢铁工业打破国外垄断、降低生产成本具有重大意义。2图1唐钢薄板坯连铸用浸入式水口图2发生裂纹的浸入式水口2.浸入式水口损坏原因分析唐钢FTSC薄板坯连铸机浸入式水口损坏原因主要表现在如下几个方面：(1)浸入式水口形状复杂，很难保证应力均匀分布，使用过程中容易造成应力集中。(2)采用射吸式烘烤炉烘烤水口，相对CSP薄板坯连铸使用烧嘴的烘烤温度要低，同时中包从烘烤器停火到开浇前水口不再烘烤，水口温降速度快，开浇高温钢水造成的热冲击大，致使浸入式水口在使用过程中经常发生由于抗热震性能不佳而出现纵裂现象，尤其是浸入式水口的渣线部位。(3)维苏威采用了ZrO2-C质单层材料，锆环本身虽然抗侵蚀性强，但热震稳定性差，容易发生纵裂现象，严重时出现渣线部位局部断裂,此单层结构对水口烘烤及开浇前水口温降的控制提出了极严格的要求。(4)本体与渣线的接合部位在使用过程中出现横裂或穿孔现象。(5)发生粘结拉速回零时，由于结晶器内钢水快速凝固，致使坯壳与浸入式水口下部局部粘连。当连铸机恢复浇注时，由于浸入式水口下部本体高温强度不够，造成浸入式水口被拉断。据此，唐钢确定与国内有关科研、生产等单位合作，开发适合唐钢连铸水口烘烤条件、使用条件及寿命要求的国产水口，以期达到控制水口损坏事故，保证连铸稳定生产的目的。3.主要研究工作根据上述对浸入式水口损坏原因的分析，确定做以下工作：（1）唐钢FTSC薄板坯连铸浸入式水口比CSP浸入式水口更为复杂，制作难度大，是其事故率较高的一个重要因素。因此，首先采用计算机数字仿真方法，进行结晶器内钢水流动和传热凝固过程的理论计算，进而评估所用浸入式水口的综合冶金效果，探询是否可优化浸入式水口形状。（2）开发复合结构浸入式水口，在浸入式水口的渣线部位将ZrO2-C质和Al2O3-C质材料按梯度复合在水口横向上，要求Al2O3-C质内衬材料具有良好的抗热震性和抗钢水冲刷性，外层ZrO2-C质材料具有良好的抗渣侵蚀性，以解决水口渣线处的热稳定性与耐侵蚀性之间的矛盾，同时在水口纵向锆质区和水口本体之间设计过渡层，解决二者由于热膨胀差别导致的水口横裂、穿孔现象，并针对浸入式水口各部位的使用特点选择合适的耐火材料。（3）优化浸入式水口操作，缩短开浇前温降暴露时间，延长浸入式水口寿命。3.1唐钢薄板坯连铸浸入式水口流场研究及冶金功能评价。根据薄板坯连铸结晶器和所采用浸入式水口的实际形状尺寸，在CFX流体分析软件平台上进行空间结构建模（如图3所示），通过边界条件简化、提出相关假设和建立相关数学模型，利用计算机仿真模拟结晶器内钢水流场情况，针对唐钢薄板坯连铸目前所用扁平浸入式水口，仿真计算出不同3浸入深度、拉坯速度以及铸坯断面条件下的钢水湍流流动状况和结晶器熔池钢水自由液面形状，为水口的形状优化提供依据。通过计算机模拟可以发现，唐钢扁平浸入式水口对漏斗型结晶器内钢水流动的影响与常规板坯铸机基本相同，主要由上下两个大旋涡组成（如图4所示）。这两个旋涡基本上是水口下出口钢水射流遇到窄面铜板阻挡而分离成的两个部分，其中下旋涡的流速和冲击深度较大，基本占据了结晶器高度上水口下方的部分。而上旋涡虽然比下旋涡要小许多，但水口上出口的射流使熔池液面区域的钢水流动变得复杂起来，在熔池表面区域，水口下出口射流折反向上的流股与上出口射流汇合时，在熔池表面区域又形成了三个小旋涡，分别位于靠近窄面铜板的地方和水口上出口两侧。不同铸坯断面、不同拉速以及不同浸入深度条件下，上述结晶器内钢水流动方式基本是一样的，仅在熔池表面区域存在差异。仿真计算在得到结晶器内钢水流动的同时也给出了熔池液面波动等结果。图5所示为结晶器钢水熔池液面波动的三维显示和波高分布，可以看出水口附近的钢水液面涌起是其上出口钢水射流直接造成的。但除此之外的其它区域，熔池液面波动非常小。拉坯速度、铸坯宽度以及水口浸入深度等都对液面最大波高差有明显影响，但整体上看熔池液面波动不大。图6给出了钢水通过扁平水口端部内腔时的压力分布和流场。从整体上来看，该扁平水口内腔中的钢水流动是合理的，水口下出口的钢水流量占整体流量的绝大部分。虽然上出口内侧存在轻微的低压区和一定程度的回流，但影响非常有限。图3FTSC薄板坯连铸机结晶器和水口的空间模化结构图4结晶器中心垂直截面钢水流场和速度（m/s）分布图5结晶器钢水熔池液面波动三维显示及波高（m）分布图6扁平水口端部内腔中的钢水压力分布（Pa）和流场4研究还发现水口上出口的存在使得结晶器熔池表面钢水显得比较活跃，在各种铸坯断面和拉坯速度条件下，结晶器熔池表面钢水流动方向均随水口浸入深度而改变。当水口浸入深度较小时，结晶器熔池表面流股由外向内流动；浸入深度较大时，该流股变为由内向外流动。由于实际生产中水口浸入深度将在一定范围内（如120～180mm）呈周期变化，熔池表面流股流动方向改变带来的活跃有利于保护渣的熔化和喂入，况且熔池表面流速很小（约为10-2m/s），不会造成严重的液面波动导致卷渣。同时发现水口上出口的钢水流量分数随拉坯速度和铸坯宽度增大只有少许增加，说明该扁平水口上、下出口间的流量分配主要受水口结构控制，与钢水通过流量的关系不是十分密切。与上述现象正好相反，水口浸入深度对其上、下出口间的流量分配有显著影响，随浸入深度增加，上出口的钢水流量增大。当水口浸入深度在120～180mm间波动时，对应的上出口钢水流量分别占总流量的8.5%和10%左右。另外对结晶器温度场情况进行了研究，发现唐钢薄板坯连铸机采用的四孔浸入式水口使得结晶器熔池表面钢水运动比较活跃，表现在钢水温度上则是高温区集中在水口周围和自由液面附近（如图7所示），消除了由于浸入式水口插入，水口周围液面狭窄而导致的冷区现象，促进了保护渣熔化。通过计算机仿真模拟可以看出，唐钢FTSC薄板坯连铸机目前所用4孔水口的冶金功能良好，结晶器流场活跃，化渣作用良好，结晶器液面稳定，因此可先基于目前水口形状改进锆质区结构提高水口寿命，同时在保证目前冶金功能的前提下，改进水口形状，减小应力集中趋势和粘结拉断几率，避免水口断裂发生。3.2复合浸入式水口技术研究从理论上讲，提高水口热震稳定性的常规方法为增加石英、石墨等低膨胀的材料的含量，使之在其它条件不变的情况，材料本身具有较优良的热震稳定性。通过对水口损坏原因进行分析发现，连铸开浇初期钢水热流瞬间冲击浸入式水口内表面，这期间最易使浸入式水口产生热震断裂和损伤，因此，尽可能的减少钢水的热流向浸入式水口传导的速度，对提高水口的热震稳定性是非常关键的。根据以上的理论分析，并结合浸入式水口的实际应用经验，在浸入式水口使用的第一阶段，尽量减缓钢水对浸入式水口的热冲击是提高水口热震稳定性的关键。根据材料的显微结构与热震性能的关系，耐火材料中的气孔率对热传导有重要的影响。热量通过固体连续相的传导速率比通过气孔连续相的传递快约25%～30%。因此，有意识地提高水口内壁的气孔率，是提高浸入式水口热震稳定性的措施。在以上讨论的基础上，对薄板坯连铸浸入式水口的热震问题和耐侵蚀性能采取了以下对策：（1）浸入式水口制作过程中，利用耐火骨料粒度配比及二次重烧氧化技术，使浸入式水口内层的气孔率达到30%～40%，远高于浸入式水口本体的平均水平。利用其热传导慢的特性，减缓钢流热量的冲击；同时利用多孔材料的孔洞钝化裂纹尖端阻碍裂纹失稳扩展的特性，减少第一阶段期间在浸入式水口内部造成的热损伤。（2）针对浸入式水口的渣线部位