高效連鑄用功能耐火材料發(fā)展和研究動向

1、.高效連鑄用功能耐火材料發(fā)展和研究動向李紅霞 劉國齊 楊 彬中鋼集團(tuán)洛陽耐火材料研究院 洛陽 471039摘 要 在高效連鑄技術(shù)發(fā)展的推動下，連鑄用功能耐火材料的主要進(jìn)展是使用壽命上有明顯提高，開發(fā)了復(fù)合結(jié)構(gòu)水口解決水口堵塞和適應(yīng)高侵蝕性鋼種連鑄，在水口結(jié)構(gòu)上以數(shù)值模擬和水模擬結(jié)果為優(yōu)化設(shè)計依據(jù)，保證流場穩(wěn)定、連鑄工藝穩(wěn)定和鑄坯質(zhì)量提高。關(guān)鍵詞 高效連鑄、功能耐火材料、數(shù)值模擬、水模擬 在實(shí)現(xiàn)了高連鑄比的發(fā)展后，連鑄技術(shù)的主要發(fā)展內(nèi)容是高效連鑄、高品質(zhì)鋼連鑄和近終形連鑄以提高連鑄機(jī)生產(chǎn)效率、發(fā)展中包冶金和優(yōu)化結(jié)晶器流場減少非金屬夾雜提高鑄坯質(zhì)量。 連鑄用功能耐火材料(保護(hù)套管、整體塞棒、浸入式

2、水口)是連鑄技術(shù)的關(guān)鍵耐火材料，產(chǎn)品在使用中起著特定的功能作用，如控流作用、吹氣攪動作用、防止二次氧化保護(hù)澆鑄作用、決定鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的流場分布等。高速連鑄是在保證鑄坯質(zhì)量的前提下提高鑄機(jī)產(chǎn)量和實(shí)現(xiàn)鑄機(jī)與熱軋生產(chǎn)率匹配的重要手段。拉速的提高，必然導(dǎo)致鋼水流速和流量的提高，拉速提高造成結(jié)晶器內(nèi)鋼水較大的表面流速和液面波動、為控制鋼水流動而采用的電磁制動以及為改善結(jié)晶器的傳熱與潤滑而采用的高熔化速度、低熔點(diǎn)、低粘度的保護(hù)渣，這些變化都會加劇對功能耐火材料沖刷和侵蝕，要求功能耐火材料提高性能才能夠保證高速連鑄的高爐次連鑄的順利實(shí)現(xiàn)。同時，高速連鑄時液面波動和不穩(wěn)定性增大，增加了結(jié)晶器漏鋼和卷渣的幾率

3、，增加了夾雜物上浮阻力，對水口防堵和穩(wěn)流要求提高，高性能、功能化、合理結(jié)構(gòu)的連鑄“三大件”是高效連鑄的順利實(shí)施的重要保障條件。在連鑄技術(shù)發(fā)展的推動下，連鑄技術(shù)的關(guān)鍵耐火材料功能耐火材料適應(yīng)高效連鑄的高可靠性、高壽命和結(jié)晶器流場穩(wěn)定性要求、也有了很大的發(fā)展和進(jìn)步。主要進(jìn)展有：優(yōu)化材料性能和材料選擇明顯提高使用壽命，發(fā)展材料功能，防堵塞、不污染鋼液和減少增碳，應(yīng)用計算機(jī)模擬和水模擬技術(shù)設(shè)計產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化流場。1高壽命連鑄用功能耐火材料的發(fā)展 連鑄用長水口(保護(hù)套管)、整體塞棒、浸人式水口使用條件苛刻，在性能指標(biāo)、質(zhì)量穩(wěn)定性等方面都有著非常高的要求，材質(zhì)特點(diǎn)是采用抗熱震性優(yōu)異的高檔含碳耐火材料，使用特

4、點(diǎn)是一次性使用和制品關(guān)鍵部位的使用效果決定其使用壽命。浸人式水口的使用壽命取決于渣線，長水口使用壽命取決于上端(頸部)、渣線和下端出鋼口，整體塞棒使用壽命取決于棒頭，連鑄三大件使用壽命的提高主要是提高這些部位的抗渣液、鋼液侵蝕性和抗沖刷性等性能。11浸入式水口 1)浸入式水口渣線材料的發(fā)展ZrO2-C材料是當(dāng)前浸入式水口最通用的渣線材料，ZrO2具有優(yōu)異的抗渣性，鱗片狀石墨除抗渣潤濕外主要作用是賦予ZrO2-C材料以優(yōu)異的抗熱震性。渣線材料的抗侵蝕性是決定水口使用壽命的關(guān)鍵因素，了解材料損毀過程機(jī)理是材料性能優(yōu)化的依據(jù)。國內(nèi)外對渣線材料的損毀過程機(jī)理已進(jìn)行了大量的研究。多數(shù)研究認(rèn)為ZrO2-C

5、材料的侵蝕是石墨和ZrO2交替被侵蝕的過程，即與鋼液接觸時，ZrO2不被侵蝕，石墨溶解于鋼液中或被氧化，使ZrO2顆粒暴露；與渣液接觸時，石墨和渣液不浸潤，ZrO2顆粒被溶蝕、分解，暴露出石墨，如此反復(fù)進(jìn)行，造成渣線材料的蝕損。保護(hù)渣、鋼液和ZrO2-C材料的顯微結(jié)構(gòu)對侵蝕速度都有重要影響。ZrO2-C材料的發(fā)展，主要還是在保證抗熱震性前提下通過顯微結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計來提高渣線材料抗侵蝕性，如優(yōu)化電熔氧化鋯原料和石墨的比例，粒度組成、采用特制的結(jié)合劑樹脂等等。兼顧抗熱震性，ZrO2-C材料合適的ZrO2含量在1015之間。調(diào)整ZrO2粒度組成可使ZrO2-C材料的抗侵蝕性提高，表1給出了不同ZrO

6、2粒度組成對ZrO2-C材料的抗侵蝕性影響1。氣孔率和氣孔分布對ZrO2-C材料的抗侵蝕性影響超過ZrO2含量影響，通過降低氣孔率和使氣孔微細(xì)化，對提高抗侵蝕性有明顯作用2，、繹討優(yōu)化以及i車鑄技術(shù)的提高，浸入式水口使用壽命滿足了連鑄爐次的提高。 2)近終型連鑄用浸人式水口 近終型連鑄是發(fā)展高效連鑄的一個重要方向，薄板坯連鑄是到目前為止發(fā)展最成功的近終型連鑄技術(shù)。當(dāng)前我國薄板坯連鑄在全球鋼鐵界是發(fā)展最快、產(chǎn)能最大，技術(shù)水平已達(dá)到國際先進(jìn)。薄板坯連鑄用浸入式水口是其重要相關(guān)技術(shù)之一，對連鑄爐次的高低起很關(guān)鍵的作用。與常規(guī)連鑄相比，薄板坯連鑄的特點(diǎn)是拉坯速度高(4060米min)，保護(hù)渣侵蝕性強(qiáng)，

7、浸入式水口結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求功能耐火材料有更高的性能和更長的使用壽命，以保證近終形連鑄生產(chǎn)的穩(wěn)定性和高效率。常規(guī)連鑄用浸入式水口在材質(zhì)上采用含碳耐火材料，保證了高抗熱震性和使用的安全性及一定的使用壽命，但將之簡單應(yīng)用到薄板坯連鑄存在如下的不適應(yīng)：一是使用壽命上的與近終形連鑄高效率的不適應(yīng)，二是性能與強(qiáng)化了的使用條件不適應(yīng)，二者需要有一提升，特別是渣線ZrO2-C材料的性能需進(jìn)行優(yōu)化。由洛耐院開發(fā)的薄板坯連鑄用異形浸人式水口，具有優(yōu)良的抗熱震性、渣線抗侵蝕性高、水口碗部及內(nèi)腔耐沖蝕性優(yōu)良等特點(diǎn)嘲，表3為開發(fā)生產(chǎn)的薄板坯連鑄用浸入式水口性能指標(biāo)，其渣線材料的特點(diǎn)是選用優(yōu)質(zhì)電熔ZrO2原料，較低的碳含量

8、，較低的氣孔率，使用壽命在12小時以上，達(dá)到國際先進(jìn)水平，滿足鋼廠連鑄牛產(chǎn)的需要。 3)高侵蝕性鋼種和潔凈鋼連鑄用浸人式水口常規(guī)鋁碳材質(zhì)浸人式水口不適應(yīng)潔凈鋼、高級鋼，如汽車用超低碳鋼板、電工鋼等和一些高侵蝕性鋼種如高氧鋼、鈣處理鋼、高錳鋼等連鑄要求，存在對鋼液增碳，內(nèi)壁、特別是吐鋼口異常蝕損造成鋼品質(zhì)降低、流場變化、卷渣可能增加、使用壽命明顯下降等問題，需使用其他抗侵蝕性高的內(nèi)襯材料。尖晶石膨脹系數(shù)和剛玉相同，低于MgO，耐鹼性渣和FeO侵蝕性優(yōu)于剛玉，表4給出了A12O3C、尖晶石一C材料性能對比4。 日本品川公司5開發(fā)的尖晶石內(nèi)襯和尖晶石一碳出鋼口浸入式水口，用于澆鑄高氧鋼(C含量<

9、;40ppm，氧含量在100600ppm使用壽命比鋁碳材料提高了3倍。同樣也適用于高錳鋼(12 massMn)、不銹鋼、易切削鋼(S 03，O 100一150 ppm)、鈣處理鋼等。澆鋼過程中，鋁碳材料中的A12O3和Mn、Fe、O反應(yīng)生成(Mn、Fe)O·A12O3，進(jìn)而與鋼液中夾雜MnOFeO反應(yīng)生成液相，導(dǎo)致蝕損和加快石墨氧化及向鋼液中溶解。尖晶石和FeO、MnO不反應(yīng)、而且能在表面形成一尖晶石為主的致密層，此致密層可抑制石墨向鋼液中溶解，提高吐綱口抗蝕性，穩(wěn)定流場，提高鑄坯質(zhì)量。洛耐院開發(fā)的低碳尖晶石一碳內(nèi)襯水口用于高侵蝕性鋼(成分：C009，Mn 11515，P 004一0

10、09，S 004一009，Si003，Pb001)連鑄，連鑄爐次成倍增加。圖1為連澆180min后水口碗部和流鋼通道形貌照片，表面干凈，幾乎看不出有任何侵蝕。12 長水口 長水口是進(jìn)行保護(hù)澆注提高鋼質(zhì)量的重要功能耐火材料。在某種程度上來講，長水口的抗熱沖擊性是連鑄三大件中要求最高的。當(dāng)前國內(nèi)鋼廠連鑄用長水口已是不預(yù)熱直接使用，澆鋼開始冷態(tài)與高溫鋼液接觸，水口內(nèi)表面溫度瞬間升至鋼液溫度，極其強(qiáng)烈的熱沖擊，極易產(chǎn)生裂紋，龜裂，裂開。因此，高抗熱沖擊性為首要保證性能，相應(yīng)材料應(yīng)具與此使用性能相關(guān)的低的熱膨脹系數(shù)、低彈性模量、高熱導(dǎo)率、高斷裂功。初期保證長水口在熱震上的可靠性所采用的措施是較高的石墨含

11、量，并加入低膨脹系數(shù)材料一熔融石英，長石，鋯莫來石等，降低材料的熱膨脹率和彈性模量，但使用壽命較低。 長水口使用壽命和材料抗鋼液侵蝕、沖刷的能力相關(guān)。長水口使用中不同部位蝕損速度和蝕損機(jī)理因工況不同而不同，幾個蝕損嚴(yán)重的部位分別為：渣線一受中包覆蓋劑侵蝕；鋼液流出口的浸入鋼液部位受鋼液強(qiáng)烈沖刷侵蝕氧化作用；頸部一鋼液偏流沖刷及吹氧清掃；與滑動水口結(jié)合部一密封不嚴(yán)造成吸氣氧化失碳，其中尤以浸入鋼水中部分和頸部最為嚴(yán)重6。采用層狀結(jié)構(gòu)是目前不預(yù)熱長水口主要結(jié)構(gòu)形式。內(nèi)外采用不同的組成：直接接觸高溫鋼液的內(nèi)層低碳或無碳、高的氣孔率，低的導(dǎo)熱系數(shù)，降低了外層材料中的熱應(yīng)力，外層材料為低SiO2含量的鋁

12、碳材質(zhì)，提高抗鋼液侵蝕性。層狀復(fù)合的方法既能保證鋁碳材料的抗熱震性，也能顯著提高材料的抗侵蝕性，在不降低抗熱震性的前提下提高了使用壽命。層狀材料具有較高的整體強(qiáng)度和斷裂韌性，是獲得高可靠性和高使用性能的有效途徑，結(jié)合減少熔融石英的含量、合理的組成、顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計等措施開發(fā)的高性能不烘烤長水口，具有優(yōu)異的抗熱沖擊性、抗渣性和抗鋼水沖蝕性，和較高的使用壽命。新發(fā)展的長水口還有按照水口各部位的損毀機(jī)理和損毀過程不同而在水口上下采用不同的材料組成、在水口形狀上進(jìn)行優(yōu)化，即增加水口渣線以下部位厚度，下端采用鍾罩型結(jié)構(gòu)7。其上下材料組成如表5中所列，上部材料具有高的強(qiáng)度和優(yōu)異的抗熱沖擊性，能承受下部重量增加

13、的強(qiáng)度要求，下部材料具有良好的抗侵蝕性和抗鋼液沖刷性，使用效果是壽命提高，中包流場改善。 同其他許多耐火材料相似，長水口使用效果的好壞與使用時操作條件的優(yōu)化有很大關(guān)系。Hideaki8在其文章中指出近十年來日本長水口的使用壽命有了很大的發(fā)展，不少鋼廠已達(dá)到能穩(wěn)定在30一40澆次，主要措施有操作技術(shù)的改進(jìn)，如良好的預(yù)熱，合理的吹氧清掃程序；水口材料性能的提高改進(jìn)，包括有提高力學(xué)性能指標(biāo)，以承受水口振動應(yīng)力；內(nèi)襯采用低碳含量材質(zhì)，減少了鋼液沖刷；開發(fā)出先進(jìn)的水口表面防氧化涂料和使用無SiO2材料，以保證產(chǎn)品質(zhì)量的高度穩(wěn)定和一致性。在國內(nèi)，實(shí)際生產(chǎn)中連澆爐次高、連鑄時間長時，長水口的使用壽命還不能和

14、浸人式水口和整體塞棒同步，主要問題是出鋼口部位和碗部抗鋼液侵蝕和沖刷性能不夠。為適應(yīng)提高長水口壽命的需要，開發(fā)有無硅鋁碳長水口，性能指標(biāo)如表6中所列，使用壽命有明顯提高。13 整體塞棒 塞棒安裝于中間包，與內(nèi)裝式浸入式水口或中包上水口配合，在連鑄工藝中控制鋼水從中間包到結(jié)晶器流量，以保證鋼水在結(jié)晶器中液面穩(wěn)定和連鑄工藝的穩(wěn)定。在材質(zhì)選擇上，以保證安全使用為第一要素，一旦失控，由于塞棒的不可更換性將會造成連鑄中斷。通常棒身、棒頭、渣線采用不同的配料組成。棒身無例外地選擇A12O3-C材質(zhì)，其主體耐火原料依現(xiàn)場使用條件而選用高檔電熔剛玉原料或特級礬土熟料，渣線部位受中包覆蓋劑和鋼液作用，多數(shù)情況采

15、用以高檔電熔剛玉為原料的A12O3-C材質(zhì)，在強(qiáng)侵蝕情況下也選用ZrO2-C材質(zhì)。決定塞棒控流功能和使用壽命的關(guān)鍵部位是塞棒棒頭，保證棒頭材料的高性能就顯得十分重要。其常用材質(zhì)有兩種，A12O3-C材質(zhì)棒頭和MgO-C材質(zhì)棒頭，需視澆注鋼種和耐火材料的反應(yīng)選擇。真空度較高時，MgO會與C反應(yīng)，造成棒頭侵蝕加快，鋼液Ca含量高時，與A12O3反應(yīng)，加快棒頭沖蝕，不能長時間連鑄。針對不同鋼種，不同操作條件選擇合適材質(zhì)棒頭，如A12O3-C棒頭比MgO-C棒頭更適合于A1鎮(zhèn)靜鋼，而后者非常適合于鈣處理鋼，澆鋼時棒頭表面形成的含CaO-A12O3系化合物和MA、M2S之薄的渣膜能有效保護(hù)棒頭不被鋼水侵

16、蝕。 塞棒的發(fā)展重點(diǎn)也在棒頭材質(zhì)的變化上。就目前正常應(yīng)用的A12O3-C材質(zhì)棒頭和MgO-C材質(zhì)棒頭而言，有些情況下二者都不能完全滿足使用壽命要求，需要設(shè)計更合適或有更高抗鋼液侵蝕性的棒頭材料。韓國朝鮮耐火材料公司開發(fā)了適應(yīng)高氧鋼連鑄的含A1N棒頭材料，使用時表面AlN氧化形成A12O3致密層，提高壽命；尖晶石-MgO-C材質(zhì)棒頭材料，使用時表面形成尖晶石致密層，提高壽命，并且對A1鎮(zhèn)靜鋼、鈣處理鋼都有適應(yīng)性。表7為這兩種棒頭材料的性能指標(biāo)9，102水口防堵功能進(jìn)展 連鑄過程中的水口結(jié)瘤或堵塞是一常常發(fā)生的現(xiàn)象，在上水口、滑動水口、浸入式水口都有發(fā)生，特別以在浸入式水口中的結(jié)瘤最為常見，水口結(jié)

17、瘤或堵塞對鋼液潔凈度以及流場穩(wěn)定有直接影響。鋼種不同，澆鋼條件不同，水口結(jié)瘤或堵塞的機(jī)理和堵塞物的種類也不完全相同。水口結(jié)瘤影響到正常的澆注過程并影響鑄坯質(zhì)量，嚴(yán)重時甚至水口堵死，成為限制連澆爐次、提高連鑄效率的障礙。防止水口結(jié)瘤對高級鋼、潔凈鋼連鑄和高效連鑄具有更重要的意義。 水口結(jié)瘤是一多因素作用結(jié)果，主要結(jié)瘤物是鋼液中的夾雜物和脫氧產(chǎn)物，而結(jié)瘤過程則和耐火材料與鋼液間的反應(yīng)，鋼液的溫度，鋼液在水口中的流態(tài)，鋼液中的夾雜物或脫氧產(chǎn)物的類型，水口內(nèi)襯成分及水口內(nèi)表面的光滑程度等等因素有關(guān)11，12。可以近似地將水口堵塞過程分為兩個階段：第一階段是水口內(nèi)表面的粗糙化，即鋼液及其內(nèi)夾雜物與水口表

18、面作用，產(chǎn)生反應(yīng)層(脫碳層)或冷鋼層，造成水口內(nèi)表面粗糙不平，表面附近渦流增加，使表面附近鋼液中夾雜物向水口表面遷移趨勢增加，在表面沉積的幾率增大，第二階段為鋼液中夾雜物在此反應(yīng)層(脫碳層)或冷鋼層上的沉積，而且第一階段對是否發(fā)生堵塞起決定性的作用。浸人式水口最易堵塞的部位是碗部和吐鋼口，此處鋼液的流場由于截面和流向的突然變化，而產(chǎn)生了渦流或滯流層，鋼液中夾雜物受指向耐火材料表面的力的作用，易于在水口內(nèi)表面形成沉積，并進(jìn)而形成表面反應(yīng)層，導(dǎo)致更多的沉積； 在水口防堵方面，主要發(fā)展的是兩種防堵形式，物理防堵和材質(zhì)防堵。物理防堵主要通過采用帶吹氣結(jié)構(gòu)水口，使用時吹氬來阻止鋼液中夾雜物沉積，相對于吹

19、氣滑板、吹氣浸入式水口，吹氣中包上水口更有效。材質(zhì)防堵是在水口內(nèi)復(fù)合具有防堵功能的內(nèi)襯，較早期應(yīng)用的是ZrO2-CaO-C材質(zhì)復(fù)合內(nèi)襯，其防堵的原理是CaZrO3與鋼中夾雜物、脫氧產(chǎn)物A12O3反應(yīng)生成低熔點(diǎn)相被鋼液沖走，減少沉積結(jié)瘤，但在使用中存在不耐沖蝕和在有些場合使用時防堵效果差的問題。目前應(yīng)用最多的是無硅無碳的尖晶石復(fù)合內(nèi)襯，可抑制耐火材料和鋼液中A12O3的反應(yīng)或附著，保持水口內(nèi)表面光滑，起防止結(jié)瘤作用。通過采用無硅無碳內(nèi)襯材質(zhì)防A12O3結(jié)瘤，還有減輕了水口對鋼液的碳污染和硅污染，降低由鋼液沖蝕造成的水口內(nèi)壁蝕損，提高水口使用壽命的作用，是浸人式水口的發(fā)展方向。在防堵水口方面最新的

20、發(fā)展是由LWB公司開發(fā)的白云石碳內(nèi)襯水口13。與其他防堵材料相比，對非常容易產(chǎn)生A12O3沉積的鋼種(如鋁鎮(zhèn)靜鋼等)白云石一碳材質(zhì)顯示了明顯的優(yōu)勢。表8中列出了燒結(jié)白云石上水口和白云石一碳浸入式水口(內(nèi)襯)的組成和性能指標(biāo)?，F(xiàn)場使用顯示：以燒結(jié)白云石上水口取代中包吹氣上水口可完全消除沉積，同時具有免吹氣、增加連鑄爐次，減少原吹氣水口造成的結(jié)晶器液面波動和鑄坯表面缺陷等效果。以白云石一碳為內(nèi)襯的浸入式水口連鑄350min鋁鎮(zhèn)靜鋼內(nèi)壁無附著，同比鋁碳質(zhì)水口180min A12O3附著15 mm。 總之，消除或防止水口結(jié)瘤具體采用措施要視堵塞過程不同而行，要結(jié)合實(shí)際造成堵塞的原因有針對性地設(shè)計和選擇

21、防堵內(nèi)襯材料。3計算機(jī)數(shù)值模擬和水模擬在連鑄三大件結(jié)構(gòu)設(shè)計上的應(yīng)用浸入式水口的結(jié)構(gòu)對結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場和溫度場分布有重要影響，進(jìn)而影響著連鑄工藝的穩(wěn)定性和鑄坯質(zhì)量。結(jié)晶器內(nèi)鋼液合理的流場分布有助于鋼中夾雜物的上浮，防止卷渣現(xiàn)象的發(fā)生，有助于在各個方向形成均勻的坯殼，減少對己形成坯殼的熱沖擊力，同時流場必須補(bǔ)償自由表面上熱量的散失保證熔化保護(hù)渣，以使保護(hù)渣填充到坯殼和模型壁間隙，起潤滑和熱量傳輸重要作用。合理的流場減少或消除搭橋，沖刷坯殼，拉漏等事故。水模擬和計算機(jī)數(shù)值模擬研究已成為優(yōu)化設(shè)計浸人式水口結(jié)構(gòu)的重要手段。 高拉速是實(shí)現(xiàn)連鑄高效率的一個重要手段，然而拉坯速度大時，單位時間內(nèi)注人結(jié)晶器內(nèi)的

22、鋼液量增大，結(jié)晶器內(nèi)的鋼液流速和彎月面湍動加劇，造成凝固坯殼不穩(wěn)定，流股沖擊深度加大，夾雜物難以上浮，同時還易造成卷渣和鋼液面裸露，產(chǎn)生新的夾雜物，從而降低鋼水的潔凈度，更甚會引起漏鋼等事故。因而原有流場不適應(yīng)高拉速條件，優(yōu)化高拉速條件下結(jié)晶器內(nèi)的流場顯得尤為重要。浸入式水口結(jié)構(gòu)參數(shù)如水口內(nèi)徑、出口導(dǎo)角、出口形狀等對結(jié)晶器內(nèi)流場有重要影響。水口出口面積比(水口出口與人口的面積比)增大，在同一流量下，水口出口處流速減小，沖擊動能減小，沖擊深度上移，對凝固坯殼沖擊減弱，漏鋼機(jī)會減?。坏珱_擊點(diǎn)的上移會加大上回流區(qū)的流動，更容易影響到液面波動。水口出口導(dǎo)角對結(jié)晶器內(nèi)的鋼液流動形式影響較大，當(dāng)出口導(dǎo)角增

23、加后，向下流股沖擊深度增加，向上流股減弱，液面平靜，保護(hù)渣覆蓋良好，但夾雜物上浮困難。洛陽耐火材料研究院利用自有的水模擬裝置研究了水口出口面積比和和幾種類型水口對CSP結(jié)晶器流場的影響。裝置采用PIV速度測量系統(tǒng)和波高測試系統(tǒng)，圖2為PIV速度測量原理圖。圖3和圖4分別是拉速42 mmin時不同出口面積比對結(jié)晶器流場和結(jié)晶器表面波動的影響，可以看出水口出口面積比改變后結(jié)晶器流場的基本特征沒有較大程度的變化，呈一主流兩回流的形式，射流沖擊點(diǎn)位置及射流角度均沒有明顯的變化。隨著水口出口面積比的變大，表面流速有降低的趨勢，表面波動減小，說明水口出口面積比的變大有助于減緩結(jié)晶器彎月面湍動，降低卷渣的幾

24、率。 水口出鋼口結(jié)構(gòu)對流場的影響：針對CSP結(jié)晶器出口為1300mm×90 mm時，對四種不同出鋼口結(jié)構(gòu)的水口(示意圖見圖5)在同一工況下進(jìn)行了流場測試，結(jié)果見圖6和圖7?？梢钥闯龉ば?、型和型流場呈現(xiàn)一主流兩回流的形式，沖擊點(diǎn)位置和射流角度也有明顯差別。其中型流場的上下回流較復(fù)雜，各有兩渦心存在，I型、型流場上下回流各有一個渦心。型流場與前三者有明顯差別，下回流有一個渦心存在，沒有上回流生成，射流上部的流體大部分是下回流引起的，還有小部分是由水口上部出口貢獻(xiàn)。水口類型不同，結(jié)晶器液面不同位置的波動也會有所不同。在彎月面處工型水口波動較小，水口一側(cè)波動較?。缓托退谠趶澰旅婧退谔幍牟?/p>

25、動較大，窄邊和水口中間位置波動較?。恍退谠趶澰旅嫣幉▌虞^小，而在水口附近波動較大。通過比較可以看出，型水口的表面波動相對較大。浸入式水口中鋼液偏流(biased flow)在中包滑板控流的連鑄過程中是一較普遍存在的現(xiàn)象，其直接影響為：鋼液在結(jié)晶器中流動不平衡，造成保護(hù)渣厚度分布不均，液面易結(jié)冷鋼，是漏鋼的隱患；易造成液面卷渣，鋼水溫度不均，進(jìn)而造成鑄坯夾渣和表面裂紋，給生產(chǎn)安全，質(zhì)量控制均帶來較大的威脅，增加了高品質(zhì)鋼生產(chǎn)難度。 日本品川公司以水模擬研究為基礎(chǔ)開發(fā)出了段差式(Annular Step)浸入式水口和內(nèi)壁有凸起結(jié)構(gòu)(Mogul)水口，有效解決了偏流及其影響，鑄坯質(zhì)量得到了明顯的改

26、善，使組織高品質(zhì)鋼(如IF鋼)生產(chǎn)得以實(shí)現(xiàn)，已在連鑄生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用14，15。 水模研究結(jié)果顯示，常規(guī)水口(直通式內(nèi)腔)出鋼口處鋼液偏流，只形成一個大渦流，左右兩側(cè)出鋼口速度不平衡，出鋼口上沿附近甚至有回流現(xiàn)象，易引起卷渣。段差式結(jié)構(gòu)的浸入式水口內(nèi)腔直徑為分段變化的，流經(jīng)水口鋼液的流態(tài)在水口中發(fā)生變化，減小了渦流和水口內(nèi)表面的鋼液滯流層，穩(wěn)定鋼水在水口內(nèi)的流動，消除鋼液在水口出鋼口處的回流和偏流現(xiàn)象，取得較理想和與實(shí)驗(yàn)室水模擬試驗(yàn)結(jié)果吻合的現(xiàn)場使用結(jié)果，水口出鋼口速度有所均勻化，鑄坯質(zhì)量得到了明顯的改善。段差式水口是消除偏流和提高鑄坯質(zhì)量的有效措施，已大量采用。采用段差式結(jié)構(gòu)的浸人式水口同時還具有很好的防堵效用。為獲得結(jié)晶器內(nèi)更理想的鋼液流場以水模擬研究為基礎(chǔ)又開發(fā)有效果更佳的Mogul結(jié)構(gòu)水口。與常規(guī)內(nèi)腔結(jié)構(gòu)水口相比，mogul水口處形成了多個小渦流，出口鋼液速度得到平衡，減小了結(jié)晶器寬面前后速