帘线钢用镁碳浸入式水口的研制

滕铁力 赵祥 樊建梅 张瀚之 乔琳琳 王文君

 

随着炼钢工业的不断发展，连铸钢种也随使用要求和性能的提高经历着产品的更新，帘线钢就是钢材中开发的尖端产品，该产品具备较高的科学技术含量，经济附加值高，是钢材行业重点发展方向之一。

 

用于生产钢帘线的帘线钢对于钢水的纯净度和钢水中的非金属夹杂物要求非常严格，尤其是变形性较差的脆性夹杂物(如Al2O3，及TiN)，在拉拔或合股过程中，钢基体变形而夹杂物不变形，会形成钢丝断裂。因此，对于帘线钢来说，必须严格控制夹杂物的数量及形态。国内用于帘线钢生产的连铸功能耐火材料还是以常规的铝碳一铝锆碳材质为主，该种材质的功能耐火材料具有抗热震性能稳定、抗冲刷、抗侵蚀、能够满足长寿命连续浇铸的使用要求等特点。但是，该种材质也容易造成在钢水中引入铝质脆性夹杂的致命缺点，导致生产的帘线钢钢坯拉丝过程中易断裂的现象，难以完全满足钢铁企业生产更高洁净度帘线钢的标准要求。因此，帘线钢用镁碳浸入式水口的研制开发具有重要的意义。

 

1 常规浸入式水口对帘线钢生产质量的制约因素分析

 

通过对常规浸入式水口影响帘线钢生产质量的制约因素分析，认为主要是水口材质和水口结构设计两个方面：常规水口一般为采用铝碳材质的外挂浸入式水口，通过夹持器固定在中间包水口下方，在浇钢过程中易引入Al2O3夹杂，容易造成卷渣，导致钢坯夹杂从而降低钢坯质量;常规水口结构上采用外挂直通型设计，存在水口与中间包水口配合上易吸氧，钢水进入结晶器时冲力较大易形成卷渣现象。

 

2 帘线钢用浸入式水口研制方案的确定、实施

 

2.1 帘线钢用浸入式水口材质配方设计及研制

 

帘线用钢对于成分的要求较为严格，不同炉次或同炉之间要求成分必须保持均匀，波动幅度小，有害元素含量低，否则会导致拉拔及合股断丝的发生。因此，必须严格控制钢中有害元素的含量。通过对帘线钢浇铸特点、生产要求的了解，相关资料、信息的查询与积累，分析制定了浸入式水口材质的研制方案：选用高纯电熔镁砂、鳞片石墨为主要原料，为改善其抗氧化性、抗热震性，添加了适量的添加剂。

 

电熔镁砂大颗粒的绝对膨胀量比小颗粒的要大，再加上镁砂膨胀系数比石墨大得多，所以镁砂大颗粒/石墨界面比小颗粒/石墨界面产生的应力大，产生的裂纹也大，这说明镁砂临界粒度尺寸小时，具有缓解热应力作用。从制品性能方面考虑，临界粒度变小，制品的开口气孔下降，气孔孔径变小，有利于制品抗氧化性能的提高。但若镁砂细粉太细，则会加快MgO的还原速度，从而加快制品的损毁。因而试验选择了多级镁砂粒度进行复合鳞片石墨，利用镁砂的抗渣侵蚀性强和石墨的高导热性和低膨胀性，来补偿镁砂耐剥落性差的缺点。MgO与C在高温下无共熔关系，因而镁碳质耐火材料具有良好的高温性能。

 

为改善镁碳材质的热震稳定性能，试验选取了斜锆石为添加剂，斜锆石主要由含少量矿物杂质的二氧化锆组成，强度高，稳定性好，并具有耐酸性，较好的抗钢液侵蚀的性能，在氧化和还原气氛中稳定，热导率低，吸热性好，散热均匀，加热时不发生多型转化。斜锆石和电熔镁砂在高温下反应可生成锆氧 (ZrO2)。锆氧是一种优质耐熔材料，熔点接近2700℃，晶型随温度而变，稳定的锆氧含有少量的镁、钙、钪或钇的氧化物，抗热震性好。

 

通过镁碳料的实验室试验工作，根据泥料的混练状态、样块的物理性能指标的评定，进行了原料粒度、原料添加比例、添加剂的选择、改善热震稳定性等方面的调整，通过大量的试验工作，不断的改进、优化方案，设计完成了适用于帘线钢浇铸的镁碳泥料配方设计，从而提高水口使用寿命，消除夹杂隐患，保证多炉连铸的顺利进行。泥料的化学组成(w)为：MgO65%，SiO23%，ZrO26%，C24%。 泥料的物理性能见表1。

 

2.2 帘线钢用浸入式水口结构与模具设计

 

常规方坯用浸入式水口一般采用外挂直通型设计，存在水口与中间包水口配合上易吸氧，钢水进入结晶器时冲力较大易形成卷渣现象。而板坯用水口一般采用异型双侧孔近终型设计，从而减小了结晶器内液面波动，使液渣均匀覆盖钢液，减少卷渣;控制合理的注流冲击深度，减少对凝固坯壳的冲刷，坯壳生长均匀，减少出现裂纹及拉漏的危险。

 

借鉴板坯水口设计的理念，综合考虑帘线钢用水口的使用要求，将帘线钢用浸入式水口结构设计成整体内装式四孔水口，既可以解决外挂水口在配合部位的吸氧问题，同时采用不对称的四侧孔设计可使钢水不直接冲刷结晶器钢壳，在保持浇钢时拉速不变的情况下，有效削减钢水射流的强度，在流动过程中产生涡流回路，形成较好的流场，使钢水进入结晶器后，有利于杂质上浮，提高钢坯成型质量。

 

按常规设计无法实现不对称的四侧孔定位，不对称四侧孔预成型的侧孔与底部定位是设计的难点。一般的对称侧孔预成型是将侧孔挂在中芯上，然后再用螺栓固定。成型后先将螺栓取下，把两个侧芯从两边侧孔中取出，再继续脱模。而浇注帘线钢用的浸入式水口内孔较细，中芯太细无法将中芯分割处理后把侧芯挂在中芯上，且中芯不对称分布，不能用螺栓固定侧芯。不对称四孔分布见图1。

 

鉴于以上原因，设计时把中芯分成上下两节，跟侧芯配合的一段作为上节，其余的一段作为下节。因中芯上节直径仅有ф30mm，为了解决四个侧芯与中芯上节的配合问题，设计上打破常规思维，为了满足四侧芯在高度和圆周方向的定位，提出了用线切割加工“钩头槽”设计(如图2所示)，让侧芯钩住中芯上节，并把中芯上节加工出扁形通槽，与中芯下节紧配合后实现与底部凹槽的定位，底部凹槽也是通过底座上的插板实现预成型的。为了保证成型后出模方便，把每个侧芯都加工成上拔模斜度，并把四个侧芯外端加工上M8mm的内丝，以便于出模时用工具将其拉出。这种“钩头槽”设计，解决了浸入式水口不对称四侧孔预成型生产的难题，为小型浸入式水口不对称四侧孔预成型的规模生产奠定了基础。

 

通过改变水口结构造型，将浸入式水口设计成整体内装式四孔水口，能够解决外挂水口在配合部位的吸氧问题，在保持浇钢时拉速不变的情况下，有效削减钢水射流的强度，改善钢水进入结晶器后的流场，降低产生卷渣的可能性，稳定钢坯质量。

 

3 结论

 

帘线钢用浸入式水口材质设计上选用高热震稳定性的镁碳材质，消除了铝碳材质产生夹杂的可能性，提高了钢水的洁净度;浸入式水口在结构上采用内装整体式设计，有效防止钢水的二次氧化：出钢口设计成不对称四孔，改善了结晶器内钢水流场，降低了产生卷渣的可能性，稳定了钢坯的质量。