中间包控流系统事故率降低措施

供稿|张文祥，武晓阳，李硕，崔晓璐/ ZHANG Wen-xiang,WU Xiao-yang,LI Shuo,CUI Xiao-lu

内容导读 唐钢长材事业部中间包定径水口控流系统存在上水口侵蚀扩径快、炸裂，上水口、下滑块之间夹钢等问题，导致中间包使用寿命降低，严重影响连铸生产的高效运行。对中间包定径水口控流系统存在的问题进行分析，通过调整锆芯成分，提高水口烘烤温度，优化水口和滑块加工工艺，改进上水口、下滑块和机构基础板尺寸等措施，解决了上水口侵蚀炸裂和上水口与下滑块夹钢的问题。中间包控流系统事故率由1.5 次/万t 钢降低到0.1 次/万t 钢以下，中间包上水口与中间包寿命实现了同步，为中间包使用寿命地提高提供了有力保证。

唐钢长材事业部连铸作业实施高效化生产，拉速由2.1 m/min 提高到2.6 m/min。为保证中间包单位时间的过钢量，相应的中间包定径上水口由ϕ18 mm 增大到ϕ20 mm，与之配合的中间包下滑块由ϕ18 mm 增大到ϕ19.5 mm、和ϕ20 mm。由于连铸单流过钢量的增加，导致中间包上水口、下滑块侵蚀加剧，使用寿命降低，上水口与滑块之间夹钢停流事故发生频率增加。统计表明，二钢轧厂6 机6 流小方坯连铸机，在月产量8～11 万t 的情况下，中间包控流系统的事故达到10～13 次，事故率1.5 次/万t 钢以上。为此，对中间包定径水口控流系统进行技术优化，为连铸高效化生产提供保证。

中间包定径水口控流系统存在的问题

中间包上水口侵蚀扩径、炸裂

中间包上水口侵蚀扩径、炸裂表现出来两种形式[1]，一种是残钢表面出现点状钢瘤（俗称“苦瓜脸”），如图1 所示；另一种形式是锆芯出现纵向裂纹，并从钢柱中溢出钢水，夹出钢片，图2 所示。

图1 上水口侵蚀扩径

图2 上水口炸裂

中间上水口状况：上水口扩径超标，残钢钢柱直径由ϕ19 mm、ϕ20 mm 扩径为ϕ27 mm 以上。中间包上水口扩径统计情况如表1。

表1 上水口扩径情况

上水口、下滑块之间夹钢

正常情况下，上水口与下滑块工作面在机构建立的压力之下应该紧密接触（如图3），不会有钢渣等杂物。但有时会因为操作失误、机构压力稳定性差等多种原因，出现换滑块过程中上水口与滑块之间夹钢，如图4 所示。

图3 上下水与下滑块工作状态

图4 上水口、下滑块夹钢

原因分析

中间包上水口侵蚀扩径、炸裂原因

中间包上水口锆芯扩径、炸裂，与水口锆芯质量稳定性有关。上水口锆芯主要成份是ZrO2（氧化锆），同时添加少量的MgO，Y2O3（三氧化二钇）等稀土稳定化剂，结合剂一般为聚乙烯醇。氧化锆在温度发生变化时，会产生单斜晶系、四方晶系和立方晶系的相结构转变，此过程中有体积变化，因此，氧化锆的抗热震性很差。为改善锆芯抗热震性采用了部分稳定的方式生产锆芯，成品锆芯是部分稳定的氧化锆材料，稳定化率一般为30%。在中间包使用后期水口稳定化率降低，表现为水口锆芯抗侵蚀性、抗热震性下降[2-3]，造成上水口侵蚀、炸裂。

上水口、下滑块之间夹钢原因

工作状态下的滑块和备用滑块均定位在滑道内，浇钢过程中常常出现钢渣飞溅到机构滑道表面，如果换下滑块时未对机构清洁度进行清理，就会破坏机构运行的平稳性，造成上水口、下滑块之间压力不稳定，钢水就会从上水口、下滑块之间溢出形成夹钢。

如果浇钢过程中水口对中精度差，钢水会对水口表面严重侵蚀，上水口出口表现出“碗状”侵蚀，造成上水口与下滑块配合失效，形成夹钢。如图5 所示不对中，则会在A 点侵蚀上水口，在B 点侵蚀下滑块。

图5 上水口与下滑块锆芯不对中侵蚀：（a）主视图；（b）俯视图

原设计中，下滑块长方形的工作面与上水口圆形工作面相配合，经常出现因上水口工作面露出机构底板平面尺寸偏小，下滑块角部与机构面相干渉，机构底板将下滑块的4 个角部垫起，下滑块方形工作面与上水口的圆形工作面不能重合，滑块与水口之间出现缝隙，造成夹钢。如图6 所示的B 点。

图6 机构与上水口配合：（a）俯视图；（b）主视图

连铸出现断流事故再次开浇时，需要用氧管对水口进行烧氧引流，中间包上水口烧氧温度高达2000 °C 以上，并伴有氧气流冲击，破坏了锆芯端面，对水口锆芯端面及内表面侵蚀严重，造成上水口与下滑块夹钢。烧氧后锆芯侵蚀如图7。

图7 烧氧操作对锆芯侵蚀：（a）主视图；（b）俯视图

技术优化

调整锆芯成份

针对水口扩径情况，对水口锆芯的材质进行优化。选用优质ZrO2，将锆芯ZrO2质量分数提高95%以上，对体积密度、显气孔率等物理性能进行改善。同时，调整MgO 和Y2O3复合稳定剂的加入质量分数由2.95%提高到2.99%，优化锆芯的稳定化率，提高水口抗侵蚀性能。调整前后成份性能如表2。

表2 锆芯的成分性能调整前后对比

提高水口烘烤温度

锆质产品的抗热震性差，在开浇瞬间由于上水口锆芯温度急聚升高，很容易造成锆芯炸裂。中间包上水口引流剂原来在烘烤之前加入，由于引流剂地覆盖，中间包烘烤后的水口温度只有200 °C。为提高上水口烘烤温度，将引流剂改为中间包烘烤之后（大包开浇之前）加入。采用此种方式后，中间包上水口温度达到了600 °C 以上。为此，设计了引流剂加入装置，如下图8 所示。

图8 简易的引流剂加入装置

水口、滑块设计与加工工艺优化

针对中间包上水口扩径的情况，采用加长水口锆芯改善钢水流动状况，将上水口高度由原来的95 加长到130 mm；同时，为了使滑块更好地进入工作位置，降低上水口与下滑块的碰撞应力，将上水口工作面，设计成360°大倒角（3×34°）；改进前后上水口对比如图9 所示。

图9 上水口倒角示意图：（a）改进前；（b）改进后

根据上水口与机构平面差的设计标准，上水口应高于机构平面0.3～0.5 mm。为此，调整上水口高出机构底板平面尺寸，水口高度L由原来的18.1 提高到18.3 mm（机构凹槽深度17.9 mm），保证水口与滑块紧密接触，如图10 所示。

图10 中间包上水口与机构底板相对高度示意图

将下滑块与上水口接触平面直角形式改为圆角形式，保证下滑块与上水口接触吻合，解决机构与下滑块之间干涉，导致上水口与滑块不能压紧的问题。改进前后对比如图11 所示。

图11 下滑块平面：（a）改进前；（b）改进后

将下滑块入口碗部半径由25 改为7.5 mm，入口直径由26 改为22.5 mm，优化上水口、下滑块结合部位钢水流场，降低此部位的侵蚀速率，减少水口滑块夹钢现象。优化前后尺寸对比如图12 所示。

图12 锆芯尺寸（单位：mm）：（a）优化前；（b）优化后

为了确保上水口面高出基础板的滑道面0.3～0.5 mm，将基础板与上水口的配合尺寸由18.0±0.2 mm，调整为17.8±0.1 mm（如图13）。防止出现下滑块与基础板之间干涉，造成上水口与下滑块压不紧的问题。

图13 调整后基础板尺寸（单位：mm）

控流系统优化后的效果

中间包上水口扩径情况

中间包使用30 h 下线后，测量各流上水口钢柱直径，钢柱直径由原始ϕ19 mm 和ϕ20 mm 分别扩径到ϕ23 mm 和ϕ23.5 mm，平均扩径为23.25 mm，远小于扩径标准ϕ26 mm，取得了显著效果。

上水口钢柱状况

上水口钢柱表面光滑，无结瘤，锆芯无炸裂。如图14 所示。

图14 上水口钢柱

上水口、下滑块配合状况

优化后的中间包上水口与下滑块之间无明显夹钢，上水口与下滑块匹配合理，达到了使用要求。如图15 所示。

图15 上水口与下滑块配合

通过技术优化，中间包控流系统的事故率由1.5 次/万t，降低到0.1 次/万t 以下，中间包上水口寿命与中间包寿命实现了同步。

结束语

（1）中间包上水口锆芯扩径、炸裂，与水口锆芯质量稳定性有关；上水口、下滑块之间夹钢与连铸操作及上水口和滑块的配合尺寸有关。

（2）通过调整水口锆芯ZrO2含量，调整氧化锆的稳定化率，开发了与长寿命中间包相匹配的上水口，实现了中间包上水口与中包寿命同步。

（3）优化改进上水口与滑块外形尺寸，提高中间包滑动机构设备控制精度，解决了水口夹钢问题。