CN108778568B

CN108778568B - 水口、铸造装置和铸造方法

Info

Publication number: CN108778568B
Application number: CN201580084876.1A
Authority: CN
Inventors: 金旭
Original assignee: Posco Co Ltd
Current assignee: Posco Holdings Inc
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2021-03-12
Anticipated expiration: 2035-12-22
Also published as: EP3381587B1; EP3381587A4; WO2017090819A1; CN108778568A; JP6582132B2; JP2018534147A; EP3381587A1

Abstract

本发明涉及水口、铸造装置和铸造方法，所述铸造装置包括：中间包，在其中容纳钢水；浸入式水口，其连接至所述中间包的底部并且包括水口主体和衬里，所述衬里围绕所述水口主体的至少一部分内壁并且包含氧化镁稳定的氧化锆(MgO稳定的ZrO₂，MSZ)；以及电源单元，其用于向所述水口主体供电，由此通过电化学脱氧反应防止水口阻塞。

Description

水口、铸造装置和铸造方法

技术领域

本公开涉及水口、铸造装置和铸造方法，并且更具体地涉及能够通过电化学脱氧反应抑制阻塞现象的水口、铸造装置和铸造方法。

背景技术

连铸工艺是这样的工艺：其中将容纳精炼钢水的钢水包放入连铸装置中，然后通过使液态钢水从钢水包通过中间包移动至铸模/结晶器而将其转变为固体铸件。在这种情况下，浸入式水口位于中间包的底部，使钢水从中间包移动至铸模/结晶器，并且浸入钢水中且与钢水长时间接触。因此，需要优异的耐久性。浸入式水口由Al₂O₃-C材料制成，所述Al₂O₃-C材料由氧化铝(Al₂O₃)和石墨(C)组成，氧化铝(Al₂O₃)耐火性和耐熔融金属腐蚀性优异，石墨(C)具有相对于夹杂物(熔渣组分)的小润湿性、和小膨胀量、以及良好的导热性。

浸入式水口是圆柱状耐火材料，其充当从中间包向铸模/结晶器供给钢水的流道。在钢水移动进入浸入式水口期间，由于温度下降、钢水与水口内壁间界面处的界面反应、以及钢水中的夹杂物对水口内壁的附着性，因此阻塞层从水口的内壁向水口的中心生长。这种水口阻塞导致连铸过程中断，这引起不利影响，例如生产率和铸件品质劣化等。因此，为了防止这样的水口阻塞，引入了多孔型浸入式水口，其由水口的内部向钢水供给惰性气体以通过起泡防止夹杂物的附着；熔化损失型水口，其引入耐火材料，所述耐火材料与主要引起水口阻塞的铝氧化物反应而形成低熔点化合物，而使水口阻塞层与水口材料一起熔化；以及耐火材料，其抑制夹杂物的附着或与钢水的接触。

发明内容

本公开提供了能够在铸造期间通过电化学脱氧反应防止水口阻塞现象的水口、铸造装置和铸造方法。

本公开提供了用于提高铸造工艺效率和生产率的水口、铸造装置和铸造方法。

根据本公开的一个实施方案的水口可包括：水口主体，其具有内部中空部分和排出孔，钢水可通过所述内部中空部分移动，所述钢水可通过所述排出孔移动至所述内部中空部分外；以及衬里，其围绕所述水口主体的内壁的至少一部分并且包含MgO稳定的ZrO₂(MSZ)。

水口主体可包含Al₂O₃，其中水口主体可包含20重量％至30重量％的碳含量。

衬里可包含80重量％至95重量％的MgO稳定的ZrO₂和5重量％至20重量％的碳。

MgO稳定的ZrO₂可包含8mol％至15mol％的氧化镁(MgO)。

相对于衬里的纵向方向，可在衬里的顶部和底部中至少一者上设置暂置环(dummyring)。

暂置环可包含碳含量。

暂置环可具有基于衬里的总长度的1％至2％的长度。

根据本公开的一个实施方案的铸造装置可包括：中间包，在其中容纳钢水；浸入式水口，其连接至所述中间包的底部，其中所述浸入式水口包括水口主体和衬里，所述衬里围绕所述水口主体的至少一部分内壁并且包含MgO稳定的ZrO₂(MSZ)；以及电源，其使容纳在所述中间包中的钢水与所述水口主体彼此电连接。

水口主体可包含Al₂O₃，并且水口主体可包含20重量％至30重量％的碳含量。

MgO稳定的ZrO₂包含8mol％至15mol％的氧化镁(MgO)。

相对于衬里的纵向方向，可在衬里的底部和顶部中至少一者上设置暂置环。

暂置环可包含碳含量。

暂置环可具有基于衬里的总长度的1％至2％的长度。

所述装置可包括浸入中间包中的钢水中的电极，并且电源可向电极和浸入式水口施加电力。

根据本公开的一个实施方案的通过将容纳在中间包中的钢水经过浸入式水口注入铸模/结晶器中来铸造铸件的铸造方法，其中所述浸入式水口可包括水口主体和衬里，所述水口主体连接至所述中间包，所述衬里限定在所述水口主体的内壁上并且包含MgO稳定的ZrO₂，其中可使所述钢水与所述水口主体彼此电连接，以将包含在所述钢水中的氧排放至所述浸入式水口侧。

当钢水与水口主体彼此电连接时，产生于钢水中的金属氧化物可被分解成氧离子和阳离子，然后，氧离子可通过衬里被转移至水口主体，使得钢水中的氧可被排放至浸入式水口侧。

可使钢水与浸入式水口彼此电连接，同时使用钢水作为阴极并且使用浸入式水口作为阳极。

在使钢水与浸入式水口彼此电连接时，可施加0.1mA/cm²至10mA/cm²的电流密度。

可在衬里的顶部和底部中至少一者上设置暂置环，并且所述暂置环可在铸造铸件时被溶解而形成空间。

根据本公开的水口、铸造装置和铸造方法可以抑制或防止在铸造过程中使用的水口(例如，浸入式水口)的内部中空部分的阻塞。也就是说，通过使用固体电解质形成衬里，使得在铸造温度下在水口的与钢水接触的内部中空部分处能够进行电化学脱氧，并且使得钢水与浸入式水口能够电连接，可以抑制或防止由于夹杂物(例如，金属氧化物等)堆积在铸造期间接触钢水的浸入式水口的内壁上而引起的水口阻塞。由此，可降低水口的内壁上的界面氧浓度以及水口的内壁与钢水的润湿性。因此，作为造成水口阻塞的主要原因的钢水的夹杂物形成和润湿性得以改善，从而可以抑制或防止水口阻塞。因此，能够解决例如由水口阻塞造成的铸造暂停的问题，从而提高铸造效率和生产率，并且可以提高使用其制造的铸件的品质。此外，可以增加水口的寿命而减少更换水口的时间和成本。

此外，由于在浸入式水口内部使用具有优异的离子导电性的固体电解质形成衬里，因此可以减小用于抑制夹杂物形成的功耗。

附图说明

图1是根据本公开的一个实施方案的铸造装置的示意图。

图2是根据本公开的一个实施方案的应用于铸造装置的水口的截面图。

图3是在铸造期间在水口的内部中空部分中发生的脱氧反应的示意图。

图4是示出在铸造期间水口的内部结构的变化的截面图。

具体实施方案

现在将参照附图详细描述本公开的实施方案。然而，本公开不限于下面公开的实施方案，而是可以以各种不同的形式来体现。然而，提供本公开的一个实施方案是为了使本公开完整并且向本领域普通技术人员提供本发明的完整知识。附图可被放大或扩大来说明本公开的一个实施方案，其中相同的附图标记始终是指相同的元件。

图1是根据本公开的一个实施方案的铸造装置的示意图；图2是根据本公开的一个实施方案的应用于铸造装置的水口的截面图；图3是在铸造期间在水口的内部中空部分中发生的脱氧反应的示意图；图4是示出在铸造期间水口的内部结构的变化的截面图。

参照图1，铸造装置，例如连铸装置可设置有中间包10，其用于储存和分配来自钢水包的钢水60，所述钢水包为精炼钢水的容器；止挡件20和滑动板30，其用于调节钢水60的流量；浸入式水口40，其将钢水60排出至铸模/结晶器50；以及铸模/结晶器50，其用于使钢水60凝固成铸件61。尽管图1示出同时设置止挡件20和滑动板30以调节钢水的流量，但在实际操作中，可使用止挡件20或滑动板30。此外，铸造装置可包括电源70，其用于向中间包中的钢水与浸入式水口40供给电压。

参照图2，浸入式水口40可包括内部中空部分，钢水可通过其移动；水口主体41，具有排出孔42，钢水可通过所述排出孔42移动至外部，例如至铸模/结晶器；衬里43，构造成围绕所述水口主体41的至少一部分内壁并且包含MgO稳定的ZrO₂(MSZ)。此外，尽管未示出，浸入式水口40可包括渣线部分47，其围绕水口主体41的至少一部分外壁。

水口主体41可形成为具有至少敞开式顶部的圆柱形状，以便具有钢水可通过其移动的内部中空部分。此外，在水口主体41的下侧，可形成排出孔42，钢水可通过所述排出孔42从内部中空部分被排出至外部。水口主体41可使用Al₂O₃-C形成。在这种情况下，水口主体41可包含约20重量％至30重量％的C含量以具有导电性。这是为了在浸入式水口40与流过浸入式水口40的钢水之间形成导电回路。

衬里43可限定在水口主体41的内壁上，即接触钢水的表面上。衬里43可限定在水口主体41的整个内壁上，但是可限定成从水口主体41的上侧至排出孔42的上方。因此，衬里43可限定成中空圆柱状，其具有沿水口主体41的内壁的垂直方向在水口主体41内部的开口。

衬里43限定在水口主体41的内壁上，以使钢水中的氧离子朝向水口主体41移动。衬里43可由MgO稳定的ZrO₂(MSZ)形成，MgO稳定的ZrO₂(MSZ)是公知的具有优异离子导电性的材料。MgO稳定的ZrO₂是在固态下具有离子导电性的固体电解质，并且被应用于固体燃料电池、用于测量熔融金属中的氧浓度的探针，等。

在本公开中，使用该MgO稳定的ZrO₂(MSZ)作为衬里43，以将钢水中的氧离子导向水口主体41，以抑制或防止夹杂物例如金属氧化物，如SiO₂、Al₂O₃、TiO₂等在浸入式水口40的内壁处的形成。

在铸造期间，包含在钢水中的氧由于其在界面处被活化的特性而在钢水与浸入式水口40的内壁之间的界面处形成金属氧化物。该产生的金属氧化物具有对钢水的高界面能，并且在钢水中自发地移动并附着至浸入式水口40的内壁。随着该过程重复并继续，在浸入式水口40的内部中空部分处发生水口阻塞。在本公开中，使用具有优异的离子导电性的固体电解质将衬里43限定在水口主体41的内壁上，并且通过使钢水与浸入式水口40即，水口主体41电连接而将氧离子导至外部，从而可以抑制或防止金属氧化物附着至浸入式水口40的内壁。

下面将描述防止金属氧化物形成和附着的机制。

参照图3a，在铸造期间包含在钢水中的氧形成金属氧化物并移动至水口主体41的内壁。然后，如图3b所示，当钢水与水口主体41电连接时，密集地围绕金属氧化物的电子将金属氧化物分解成氧离子和阳离子(金属离子)。如图3c所示，该分解的氧离子移动至具有优异的离子导电性的衬里43，形成氧气同时通过水口主体的孔排出至外部。然后阳离子被吸收进钢水中。通过该过程(即，脱氧)，钢水中的氧被排出至钢水外，由此可以通过抑制金属氧化物在浸入式水口40中的形成和附着来抑制或防止水口阻塞。

衬里43可包含80重量％至95重量％的MgO稳定的ZrO₂(MSZ)和5重量％至20重量％的碳含量。在这种情况下，MgO稳定的ZrO₂(MSZ)可由约8mol％至15mol％的氧化镁(MgO)和剩余部分的氧化锆(ZrO₂)组成，以抑制由于基于温度变化的相变而引起的体积变化。如上所述使用氧化镁作为氧化锆中的稳定剂，即使在温度变化时，氧化锆也可以保持相对稳定的相，从而可以防止衬里43在铸造期间破裂或损坏。

另一方面，即使使用对温度变化稳定的MgO稳定的ZrO₂来制造衬里43，也可能无法完全抑制基于温度变化的体积膨胀。此外，衬里43和水口主体41的热膨胀系数彼此不同，并且衬里43的热膨胀系数大于水口主体41的热膨胀系数，因此由于衬里43在铸造期间的体积膨胀而在衬里43和水口主体41之间产生应力，可能导致衬里43破裂或损坏。

因此，为了确保与衬里43的体积膨胀相对应的空间，可在相对于衬里43的纵向方向的上侧和下侧中至少一者上形成暂置环45。相对于衬里43的长度，暂置环45可形成为长度为约1％至2％。当暂置环45的长度短于特定范围时，由于暂置环45可能无法充分应对衬里43的体积膨胀，因此衬里43的破损是不可避免的；当暂置环45的长度长于特定范围时，水口主体41可能暴露于钢水并且金属氧化物可能产生并附着至水口主体41。如果可确保根据衬里43的体积膨胀的空间，则不必形成暂置环45，因为由于浸入式水口40的制造特性而难以确保与衬里43的体积膨胀相对应的空间，所以不可避免地形成暂置环45。也就是说，浸入式水口40的制造过程包括在将构成浸入式水口40的原材料注入成型框架中之后的模压成型过程和烧制过程，这是因为当将原材料注入成型框架中时，难以确保特定位置，即与衬里43的体积膨胀相对应的空间。因此，暂置环45可由熔点比构成衬里43的内容物低的材料形成。即，在制造浸入式水口40时在衬里43的上侧或下侧形成暂置环45，但是在铸造期间，可以通过钢水的热量使暂置环45溶解并将其除去，以确保衬里43的体积膨胀的空间。因此，在制造浸入式水口40时，可使用熔点高于烧制温度且低于铸造温度的含碳材料例如石墨来制造暂置环45。

根据这样的结构，可沿水口主体41的纵向方向在水口主体41中形成暂置环45/衬里43或暂置环45/衬里43/暂置环45。在铸造之前，如图4a所示，在衬里43的一侧上例如在上侧上存在暂置环45，但是在铸造期间，如图4b所示，暂置环45被钢水的热量除去而形成衬里43的上侧或上侧和下侧上的空间，由于钢水的热量，衬里43的体积膨胀'x'而填充在暂置环45被溶解时所形成的空间。因此，可以使由于衬里43的体积膨胀引起的出现在衬里43和水口主体41之间的应力松弛，由此可以抑制或防止衬里43的破裂或损坏。

此外，可在浸入式水口40的外壁上限定渣线部分47。渣线部分47被构造成增强对熔渣(或保护渣62)、钢水等的耐腐蚀性，并且可形成于排出孔42的上方，例如围绕铸模/结晶器中的钢水的铸模/结晶器水平。渣线部分47可使用多种材料来形成，例如，氧化钙·氧化镁部分稳定的氧化锆、石墨等的混合材料。

电源70使中间包10中的钢水与浸入式水口40电连接。就此而言，可设置用于向中间包中的钢水供给电力的第一电极棒72，并且可使用浸入式水口40作为第二电极。为了向中间包中的钢水供给电力，可将第一电极72设置成浸入中间包中的钢水中，并且第一电极棒72可由与浸入式水口40，即水口主体41相同的材料形成。另外，电源70以如下方式向第一电极72和第二电极(浸入式水口40)供给电力，例如电压或电流：第一电极72作为阴极，第二电极作为阳极。因此，当将电力供给至第一电极72和第二电极时，电子从第一电极72移动至第二电极侧，并且在钢水和浸入式水口40之间的界面处分解的氧离子在电子的移动方向上移动，即从钢水到水口主体41侧移动。因此，钢水中的氧离子可以通过衬里43移动至水口主体41侧并且可以被排出至外部，通过该过程，可以抑制或防止由于金属氧化物附着至浸入式水口40的内部中空部分而引起的水口阻塞。

下文中，将描述根据本公开的一个实施方案的用于制造水口的方法。

根据本公开的实施方案的水口可包括制备用于形成浸入式水口40的原材料的过程；将所述原材料注入用于形成浸入式水口40的成型框架中以形成模制产品的过程；以及通过烧制所述模制产品而形成浸入式水口40的过程。

制备原材料的过程可包括制备用于形成水口主体41的原材料、用于形成衬里43的原材料、以及用于形成暂置环45的原材料的过程。

在制备原材料后，将各个原材料注入成型框架中以形成浸入式水口40的模制产品。此时，可将圆柱形芯材料插入成型框架中，并且可将用于形成衬里和暂置环的间隔件插入以与芯材料间隔开。然后，在间隔件和芯材料之间依次注入用于形成衬里43和暂置环45的原材料，并且在间隔件和成型框架之间注入用于形成水口主体41的原材料。在除去间隔件之后，将注入成型框架中的原材料压制以形成用于形成浸入式水口40的模制产品。

其后，将模制产品从成型框架中取出，并且将模制产品在烧成炉中在约1000℃或更低的温度下烧制以制造浸入式水口40。在烧制模制产品的过程中，暂置环45可保持在模制产品成型期间形成的形状。

当使用如此形成的浸入式水口40进行铸造时，暂置环45被钢水的热量溶解并除去，由此可以在衬里43的上部或下部容易地确保与衬里43的体积膨胀相对应的空间。因此，当衬里43的体积在铸造期间因钢水而膨胀时，除去暂置环45的空间可以防止衬里43破裂或损坏。

下文中，将描述用于使用根据本公开的一个实施方案的铸造装置铸造铸件的方法。

根据本公开的一个实施方案的铸造方法是如下铸造铸件61的方法：将中间包10中的钢水60通过浸入式水口40注入铸模/结晶器50中，可以通过使钢水60与浸入式水口40电连接而将包含在钢水中的氧排出至浸入式水口侧。

电路可被构造成在铸造之前使钢水60与浸入式水口40电连接。该电路被构造成将第一电极72浸入中间包中的钢水中并且使用导线连接第一电极72和第二电极(即，水口主体41)。然后，通过导线将第一电极72和第二电极连接至设置在外部的电源70。

然后，当铸造开始时，中间包10中的钢水60被注入铸模/结晶器50中，并且电源70将电力供给至第一电极72和作为第二电极的水口主体41。在这种情况下，将第一电极72设定为阴极，并且将第二电极设定为阳极，使得电流从第一电极72流向第二电极侧。

可将由电源70供给至第一电极72和第二电极的电力调节为具有约0.1mA/cm²至10mA/cm²的电流密度。这是因为限定在水口主体41内部的衬里43具有非常高的离子导电性，使得即使相对较小的电流流动，氧离子也可以顺利地移动。就此而言，当电流密度小于建议范围时，金属氧化物的离子化和氧离子的移动无法顺利进行。此外，由于在电流密度的建议范围内金属氧化物的离子化和氧离子的移动平稳地进行，所以不必使电流密度大于建议范围。

当电力被如此供给至第一电极72和第二电极时，电子从第一电极72移动至为第二电极的水口主体41，因此电流从第一电极72流向第二电极。再次参照图3进行描述，当向第一电极72和第二电极供电时，电子集中在产生于浸入式水口40的内壁侧的金属氧化物周围，金属氧化物被分解成氧离子和阳离子。如此分解的氧离子在电子的移动方向上移动，即从钢水向水口主体41移动。此时，氧离子通过产生于浸入式水口40的内壁的衬里43被转移至水口主体41。由于衬里43(固体电解质)仅可透过氧离子，因此阳离子溶解到钢水中并被吸收。该过程在供电时连续进行，并且可以抑制或防止金属氧化物产生并附着至浸入式水口40的内壁。因此，可以防止可能由金属氧化物的形成和附着引起的水口阻塞。

下文中，将在下面描述使用根据本公开的一个实施方案的铸造装置的测试结果。

对于该测试，如下制造浸入式水口：在浸入式水口的内壁部分上形成具有固体电解质的衬里，并且其他部分没有衬里。使用如此制造的浸入式水口，在规模为13吨钢水的测试设备下进行铸造。在这种情况下，供给电力使得施加2mA/cm²的电流密度。此外，为了加速水口阻塞，施加可以在钢水中产生大量的Al₂O₃夹杂物的条件。其后，切割在测试中使用的浸入式水口并观察其内部。

作为实验的结果，确定0.3mm或更小的夹杂物层附着至限定衬里的区域，并且在未限定衬里的区域B中，夹杂物和杂质的混合物具有约1.8mm至3.5mm的夹杂物层。

通过该测试确定，当在浸入式水口上形成包含固体电解质的衬里并且使钢水与浸入式水口电连接时，钢水中的氧被除去，并且防止金属氧化物的形成以及在浸入式水口的内壁处的附着。

尽管已经示出并描述了本公开的优选实施方案，但是本领域技术人员应理解，本公开不旨在限于本文所示的实施方案，而旨在涵盖可被包括在由所附权利要求限定的本公开的精神和范围内的替换、修改和等同物。因此，本公开的技术保护范围应由以下权利要求限定。

工业实用性

根据本公开的水口、铸造装置和铸造方法可以通过抑制或防止在用于铸造铸件的连铸过程中的水口阻塞来提高铸件的生产率。

Claims

1.一种水口，包括：

水口主体，具有内部中空部分和限定在其中的排出孔，钢水通过所述内部中空部分移动，所述钢水通过所述排出孔移动至所述内部中空部分之外；

衬里，围绕所述水口主体的内壁的至少一部分并且包含MgO稳定的ZrO₂(MSZ)，以及

相对于所述衬里的纵向方向，在所述衬里的顶部和底部中至少一者上设置有暂置环，

其中所述衬里包含80重量％至95重量％的MgO稳定的ZrO₂和5重量％至20重量％的碳，

其中所述MgO稳定的ZrO₂包含8mol％至15mol％的氧化镁(MgO)，

其中所述暂置环在制造所述水口主体时包含熔点高于烧制温度且低于铸造温度的含碳材料。

2.根据权利要求1所述的水口，其中所述水口主体包含Al₂O₃，其中所述水口主体包含20重量％至30重量％的碳含量。

3.根据权利要求1所述的水口，其中所述暂置环具有基于所述衬里的总长度的1％至2％的长度。

4.一种铸造装置，包括：

中间包，在其中容纳钢水；

浸入式水口，其连接至所述中间包的底部，其中所述浸入式水口包括水口主体和衬里，所述衬里围绕所述水口主体的内壁的至少一部分，其中所述衬里包含MgO稳定的ZrO₂(MSZ)；以及

电源，其使容纳在所述中间包中的钢水与所述水口主体彼此电连接，

所述浸入式水口包含相对于所述衬里的纵向方向在所述衬里的顶部和底部中至少一者上设置的暂置环，

其中所述衬里包含80重量％至95重量％的MgO稳定的ZrO₂和5重量％至20重量％的碳，其中所述MgO稳定的ZrO₂包含8mol％至15mol％的氧化镁(MgO)，

所述暂置环在制造所述水口主体时包含熔点高于烧制温度且低于铸造温度的含碳材料。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述水口主体包含Al₂O₃，

其中所述水口主体包含20重量％至30重量％的碳含量。

6.根据权利要求4所述的装置，其中所述装置包括浸入所述中间包中的所述钢水中的电极，

其中所述电源向所述电极和所述浸入式水口施加电力。

7.一种铸造方法，包括

将浸入式水口连接至中间包，所述浸入式水口形成为具有包含MgO稳定的ZrO₂的衬里和相对于所述衬里的纵向方向形成在所述衬里的顶部和底部中至少一者中的暂置环；

通过使用所述浸入式水口将所述中间包中接收到的钢水注入铸模/结晶器；以及

通过将所述钢水和所述浸入式水口彼此电连接使所述钢水中含有的氧排放至所述浸入式水口侧，

其中，将所述钢水注入所述铸模/结晶器包括通过使用所述钢水的热使所述暂置环溶解，

其中当所述钢水与所述水口主体彼此电连接时，产生于所述钢水中的金属氧化物被分解成氧离子和阳离子，然后，所述氧离子通过所述衬里被转移至所述水口主体，使得所述钢水中的氧被排放至所述浸入式水口侧。

8.根据权利要求7所述的方法，其中使所述钢水与所述浸入式水口彼此电连接，同时使用所述钢水作为阴极并且使用所述浸入式水口作为阳极。

9.根据权利要求8所述的方法，其中在使所述钢水与所述浸入式水口彼此电连接时，施加0.1mA/cm²至10mA/cm²的电流密度。