·32·
REFRACTORIES&LIME
Oct.2009Vol.34No.5
钢包滑动水口系统的改进
摘
要：为了使钢质量更好，对耐火材料的蚀损更轻，需要设计一个标准化构造的滑动水口，不仅能延长滑
板的使用寿命，而且使操作费用大幅降低，还降低了耐火材料的消耗。
关键词：钢包；滑动水口；滑板；经济效益中图分类号：TQ175.653
文献标识码：B
1前言
钢包滑动水口系统由包括一个装有耐火材料
滑板的机械组合装置构成，该系统与钢包保护管相连，而且这种布置为钢水导流并且保护从钢包到结晶器的钢水流。
钢水流调节用的这些滑板有各种形状（长方形或圆形），而且与钢水流的铸钢孔比较，不对称。采用不同的耐火材料，可以是铝碳材料到镁质材料，也可以是碳、陶瓷材料，甚至采用氮化物结合。
滑动水口系统的滑板要承受苛刻的热机械应力，这种应力在使用中会系统地产生裂纹，这样的裂纹降低了耐火材料构件的强度。由于通过滑板进入空气对于钢水的洁净度和由于侵蚀对耐火材料的蚀损有不良的影响。
我们的问题是设想一种比市场上现有的滑动水口系统都密封性好的钢包滑动水口系统。目标是使钢的质量更好，对耐火材料的蚀损更轻；基本想法是确定一个耐火材料与最佳几何形状的组合，以便消除滑板的裂纹。
在效果方面，必须延长滑板的使用寿命并且通过滑动水口进行使用情况的有效跟踪。
最后一点，经济目标是降低该系统的使用费用，但是仍然要考虑操作人员和设备的安全性。
2目标
我们的目的是要设计一个标准化构造的滑动
水口以便使之适用于所有的钢包几何形状以及所有的维修支座的形状。
想法是要开发出一种与现行设计不同的耐火材料滑动水口。这种设想导致了在过去研究的基
文章编号：1673-7792（2009）05-0032-06
础上通过了解一种现代化强有力的计算工具以及更好地了解滑板组成材料的热机械性能来对机械系统中的耐火材料进行研究。
当然，我们不能不考虑滑动水口系统必须具有的一些主要功能：
———保证安全的严密关闭———控制钢水的流量调节———在铸钢期间保证密封———允许可能的氩气吸入
另一方面，我们希望保证钢包支座中进行的所有操作的跟踪。通过对在发生在维修支座中那些情况的深入研究，就能够跟踪影响耐火材料构件使用寿命和滑动水口本身使用寿命的参数。
最后，我们做出了深思熟虑的选择，使用一个液压系统。该系统必须与钢厂中使用的系统相匹配（＜200bars）。
耐火材料的系统规定参数是最苛刻的：———两个滑板是圆形的，以便使热机械应力最佳化。
———滑板是相同的，旨在降低费用（制造、供货），而且易于互换。
———滑板的安装必须均匀，不得使应力集中，使应力均匀地分布在各个点。机械堵塞会导致滑板产生裂纹，从而导致漏气。滑板的圆形会通过使磨损最佳化来提高滑板的使用寿命。这种最佳的形状会使滑板在维修操作期间旋转。这是一个对于现今市场上已知的其它滑板系统而言不可能存在的功能，不是由于不是圆形，就是由于远离中心的孔。
最后一点，必须将该滑动水口设计成易于维护、最佳化跟踪、适于操作人员要求的工作环境以及对操作人员和设备保护具有最大的安全性。
2009年10月第34卷第5期
耐火与石灰
·33·
3
滑动水口滑板的热机械研究
3.1
滑动水口滑板的功能和现有系统的缺点滑动水口系统的基本功能是在铸钢期间对钢
水流的控制。其要求如下：
———可靠的和坚固的机械设备———操作的规律性
———易于拆卸，易于更换损坏的部件———快速而且易于维修
那么通过机械工程的方法就基本上可以确定该系统。
第二个功能就是保证钢的质量。质量的要求导致了越来越严格的制造标准以及对夹杂物洁净度的化学分析，因为钢水浇铸仍然是一项将成本和风险施加到最终产品质量和价格上的操作。近来竭力开发高性能和高度可靠的滑动水口系统。
然而，考虑到滑动水口内部热机械条件的复杂性，特别是耐火材料部件内部的复杂性，故进展缓慢。现今，大部分现有滑动水口系统的设计只考虑到一点点或者没有考虑到钢的质量要求，即使是做了一些改进而且通常是基于某一经验。由于应力集中，径向和纵向裂纹靠近孔处，而且设计的不对称性也影响了滑板的性能。
因此，由于变化的空气进入量和耐火材料透气性的变坏从第一包次到最后一个包次的蚀损加速，发生了控制相当差的蚀损。这种劣化影响了钢的洁净度（吸收了氧、夹杂物）。
在最佳的滑板设计中，最好是考虑部件要承受的热应力来确定滑板、其框架和其几何形状，以便减少和控制由于进入空气而导致的钢的氧化，进而产生裂纹。
3.2在钢包中滑板的热机械性能
控制使用滑动水口耐火材料时形成的应力需
要研究影响热机械性能的参数和最佳组合。可以用结构和性能术语来说明滑动水口系统。通过耐火材料滑板的形状和尺寸来确定其结构。通过材料的特性和行为规律及通过耐火材料和钢水浇铸之间的相互作用来确定其性能。在实际操作中，最佳的组合如下：
在材料方面，采用具有低的弹性模数和低的膨胀系数的耐火材料可以改善机械性能。耐火材料应具有高的热扩散性来限定温度梯度曲线。如
果两种材料适应性良好，那么两种耐火材料的滑板复合材料也是一种解决方法。
在几何形状方面，最佳的设计是：
誗在中间轴向钻孔的圆形滑板誗最佳比滑板的半径和孔的半径
誗在滑板的外边施加外部压力时整个耐火材
料受压均匀
3.3通过滑动水口中滑板的耐断裂参数的有限元法的计算来确定
先前的一项研究已表明，圆的形状可以减少
滑板中的应力。然而通常这些滑板由于径向裂纹而导致寿命短。因此，本项工作的目的是要确定最佳的形状（半径比和厚度）以及最佳的快速固定来尽可能地降低应力。
如图1所示，用于计算的标定的几何形状是一个厚度大约为50mm的盘状件，该件具有一个
85mm的铸钢孔，其外径为295~450mm。采用一
个具有8个节点的六面体圆实现了一半滑板的三维模型。对于滑板来说，在圆周的方向有74个点，在厚度上有8个点，在径向有28个点。对于箍带来说，在圆周的方向也有74个点，在厚度上仅有4个点（比滑板少10mm），在径向仅有1个点。在等待阶段，空钢包内的加热部位是局部具体网的原点。
考虑使用的滑板处于密度等于2975kg·m-3的耐火材料中，其热膨胀系数相当恒定，相当于
6.75·10-6K-1。通过加压试验获得了杨氏模量和耐
压强度，而抗拉强度采用三点弯曲试验进行了评定。在图2中示出的所有的点都是在相同温度三次试验的平均值。图3示出了热容量和热导率的测定结果。对于箍带用钢进行了标准化（NFA48或EN1.0481）。
为了进行模拟，我们采用了耐火材料典型的弹性性能（温度取决于性能）和钢带完美的弹性塑性性能（温度也取决于性能）。第一步模拟箍带的安装来获得滑板中存在的残余应力。
然后分两步
·34·
REFRACTORIES&LIME
Oct.2009Vol.34No.5
进行计算：首先进行热传递计算和用获得的温度范围作为机械模拟的荷载。为了再现不同阶段（安装、加热、浇铸、等候等），限制条件随着模拟而发生变化（见图4）。考虑到本研究的通用性，每一阶段考虑到的持续时间是平均的估算时间。
a）加热
在400℃时将室温的滑板安装在滑动水口中并等待2h。采用10W·K-1m-2值的对流方式来模拟滑动水口和滑板之间的热传递。由于内水口和钢包砂的原因，不存在通过浇铸孔来自于钢包的热交换。在滑动水口底面上采用1MPa的均匀压力来模拟弹簧盒。滑动水口的顶面朝着轴向固定好。钢包保护管的接收部位无机械装置。如下面所解释的那样，已经将不同的径向固定件测定到最小应力：固定点（4个或8个），挠性连接。
b）浇铸
为了模拟浇铸，将浇铸孔的内面温度加热到
1600℃。由于钢包保护管和钢水的大量的热交
换，有理由假定钢包保护管很快达到了和浇铸孔板同样的温度。因此已经忽视了钢包保护管和滑板之间的热传递。采用1MPa的恒定压力模拟了钢包保护管和钢包之间的接触机械影响。其它的热与机械限定条件仍然保持不变。
c）冷却
在最长的两个小时期间，滑板保持关闭状态，钢包是空的，无砂。然后采用辐射系数0.7的
1200℃的中温辐射的方法模拟了空钢包内部和滑
板之间的热传递。除了无机械装置的钢包保护管部位之外，其它各处的热与机械限定条件仍然保持不变。
考虑到弹性、易碎性，通过内部加热管的壳体是众所周知的：一个厚壁管具有良好的耐热震性（在外径上有较低的拉伸应力）。然而太厚壁的管可能会产生高的内面压应力。那么本研究中考虑到的损坏标准说明了抗拉强度、抗压强度以及它们随着温度的变化。该损坏标准可以通过下面的公式进行标准化。
≤σmin（M，T）≥σc
σ
T）∈Ω×R（1）
min
(M，T）≤σ坌(M，t
在该公式中，将最小和最大应力确定为最小和最大主要应力（图5）。数字模拟表明，考虑到的管壳的直径比应大于5，以便将压力减少到最低程度。该结果取决于材料的热性能。确实，径向尺寸决定了热梯度曲线。此外，已注意到，厚度对压力范围的影响非常小，因此没有将其值最佳化。
尽管开头进行了最佳化，但是拉伸应力仍然
太高。确实固定的径向点通常用来使滑板能够在浇铸期间防止自由径向膨胀。
这些局部的径向压
2009年10月第34卷第5期
耐火与石灰
·35·
应力增大了直辐射的拉伸应力，这些拉伸应力在径向裂纹的起源处（垂直于最大主要应力）。然而，如图6所示，在拉伸应力的情况下，当固定点数增加时，滑板的体积变小。此外拉伸应力范围也变小。因此，控制径向裂纹的想法要完全压住滑板来平衡拉伸应力。但是它可能会在靠近浇铸孔处产生太高的压应力。那么，解决的方法是开发一种弹性固定件，该固定件能施加受到控制的径向压力来避免拉伸应力，而不会产生太高的压应力。
为了设计径向耐压带，进行了许多计算来判断保证可靠性标准方面的径向压力范围。结果表明，已考虑材料的最佳压力为：10MPa≤P≤15MPa。
径向压力在该范围的情况下，在900℃时，在箍带和关闭板（图7）孔之间的区域，于静止阶段时达到了最高的抗拉应力。在该温度下测定的抗拉强度为30MPa。因此，如图7所示，滑板的棱角可能在该部位产生裂纹。这是压力带的局部效应。然而整个滑板中的拉伸应力低于6MPa，这可能足以保证滑板的可靠性。
考虑到耐火材料的实际机械性能是非线性的，很清楚，过高地估算了采用纯弹性模型预计的应力。此外有限元法也出现了典型的误差（由于数值解导致的近似值）。那么，即使该压力范围不能保证不出现裂纹，那么计算出的应力也是低的，足以保证使用寿命长。现场的工业试验证实了这些工业结果。
4
线性滑动水口系统的定性法
4.1
基本功能
如前所述，为了使用简单，滑动水口系统必
须为线性设计，必须保证打开和关闭钢包的基本功能来调节钢水的流量。
除了这些功能之外，我们希望，滑动水口系统为标准组件型，适用性好，该系统包括两个创新原则：一条夹带来避免滑板的断裂和一个旋转系统。
4.2新型滑动水口系统的详细描述4.2.1
空间约束条件
空间约束条件涉及到两个因素：一方面，滑
动水口系统必须符合几何性质的工作约束条件，另一方面，该概念本身和浇铸孔与我们研制的滑动水口板的直径之比有关。
由钢包底的形状，当然还由钢包下面的高度确定了空间的限定条件（图8）。
在世界主要产钢区进行的一项研究表明，钢包的尺寸在各国家之间波动的幅度相当大，如表
1所示。
两个方面的组合促使我们开发了两个范围的滑动水口系统：第一范围滑动水口系统称为
MRS
·36·
REFRACTORIES&LIME
Oct.2009Vol.34No.5
100，可以接受波动为70的100mm的浇铸孔；第
二范围的滑动水口系统称为MRS70，可以接受波动为30的70mm的浇铸孔。
表1
钢包分布的一些例子
≤150t钢包
≥150t钢包
中国919印度8911巴西7426欧洲（*）6337日本3763美国7426加拿大4258滑动水口系统MRS70
MRS100
(*)法国、比利时、西班牙、意大利、德国、英国、瑞典、芬兰、
奥地利和捷克共和国
4.2.2避免钢水渗透和平移的限定条件
我们的系统是一个由液压千斤顶起动，通过悬臂支架和弹簧盒来产生滑板之间的压力，如图
9所示。
这些装置能够保持滑板之间的恒定压力，包括由于使用的滑板的重新调整使这些装置的厚度变小时也能保持恒定压力。
对我们所研究的滑动水口系统的计算表明，按照130bars（对于直径为450mm的滑板）滑板之间的压力足以避免滑板之间的任何泄漏或者渗透。
在相同的条件下，为了保证其功能，液压千斤顶所需的动力小于200bars，该压力适用于世界上大部分设备。
4.2.3耐火材料滑板的夹紧系统
我们开发出了一种保证使用后耐火材料预压力的金属带。在温度周期期间，特别是在冷却期间，在耐火材料的尺寸发生变化时压力保持恒定，如图10所示。
4.2.4滑板的旋转系统
由于圆形滑板没有一般性裂纹，所以根据若干个径向通路可以使用该系统。对于预定角度的位移，在钢包维修站进行可编程序旋转（图9）。
4.2.5追踪能力
可编程序表明了在维修站所做的追踪能力；通过延伸，采用下列参数，该系统包括在旋转中和平移中滑动水口系统移动的全面监控：
———液压行程的液压压力、位移的长度和时间
———滑板的预压压力
———耐火材料滑板的夹紧压力
工作站中操作的全面管理包括钢包的鉴别和滑动水口系统的鉴别。所有的这些方面都会指导并充分地了解在使用中的滑动水口系统的功能以及通过预防性维护操作进行最佳的控制。
5
工业应用
5.1
CARSID公司（欧洲集团）现场的工业应用
结果
CARSID公司是Duferco集团的一个成员，具
有1900000t的年生产能力。该子公司已设有三座170t底吹吹氧转炉，一座钢包炉和一个钢包处理站。
有两台连铸机：一台双板坯浇铸机，另一台为单板坯浇铸机。
CARSID公司生产低炭素钢、包晶钢和高炭素
钢。特别是在单板坯浇铸机上生产占产量20%的钢材，采用高锰和/或CaSi进行处理。这些处理对耐火材料都非常有害。
双板坯浇铸机上的浇铸时间为30~40min，单板坯浇铸机上的浇铸时间为45~70min。
在CARSID公司滑板的参考使用寿命为4包
2009年10月第34卷第5期
耐火与石灰
·37·
次。在试用期（450包次）期间，采用相同的耐火材料，但在MRS100中新滑板的使用寿命为6~
8包次。随后进行了两次修理（图11）。两次修理
后耐火材料的使用寿命为18包次。
5.2人机控制条件的改进和操作人员的安全在CARSID公司的钢包维护区，为了耐火材
料滑板和内水口的移动以及运送的要求安装了一个机械人，千斤顶只用于滑板的旋转操作和平移操作，如图12所示。
机械人放在轨道上，和液压系统一起为操作人员运送备用的耐火材料以及小型设备。因此，由于改进了人机控制性能，机械人使操作人员在工作站更加安全。
5.3经济效益
由于在技术文章中详述了MRS100的设想，
钢包滑动水口系统的创新发展为用户带来了巨大的经济效益。
包括滑板、内水口和火泥在内的耐火材料，还包括滑动水口系统本身的费用将降低15%，根据孔径和浇铸钢的质量，可能会更高一些。钢包用滑动水口系统的这项新发展满足了钢厂降低费用的要求，而且由于滑板长的使用寿命使消耗的原料大幅度减少。
6前景
技术水口S.A(Tech-gateS.A)的最近的创新
是一个钢包钢水流量的调节系统，是一项高新技术。这项技术可使操作费用大幅度降低。
称为MRS100的标准组件的滑动水口系统正在申请世界级专利并在线性抽拉装置中采用了下列创新操作方法：
———通过在钢包支座中的可编程序的顺序旋转使滑板最佳化
———通过监控滑动水口系统功能参数，特别是滑板与滑板的加压件之间的压力参数的监控提高了安全性
数项研究已经具备了开发一种新型滑动水口的条件。这种独特的想法能够提供非同一般的效益。这种新型滑板能够不产生通常观察到的耐火材料的裂纹并且降低耐火材料的侵蚀。MRS100配备有一个非刚性的滑板夹紧系统，该系统可避免滑板断裂。在钢包支座中所述滑板的旋转可以采用在360°上的浇铸孔。
与现在市场上滑动水口相比，这两项功能的组合就会大幅度减少使用费用达10%~20%。
此外，在经济效益方面，MRS100还具有操作的安全性和简单性，由于降低了耐火材料的消耗，还符合为世界钢厂所确定的环境保护目标。
徐庆斌
编译自《AISTech2008
Proceedings》，
Vol.Ⅰ：1339~1350
王晓阳
校
收稿日期：
2009-05-11
·32·
REFRACTORIES&LIME
Oct.2009Vol.34No.5
钢包滑动水口系统的改进
摘
要：为了使钢质量更好，对耐火材料的蚀损更轻，需要设计一个标准化构造的滑动水口，不仅能延长滑
板的使用寿命，而且使操作费用大幅降低，还降低了耐火材料的消耗。
关键词：钢包；滑动水口；滑板；经济效益中图分类号：TQ175.653
文献标识码：B
1前言
钢包滑动水口系统由包括一个装有耐火材料
滑板的机械组合装置构成，该系统与钢包保护管相连，而且这种布置为钢水导流并且保护从钢包到结晶器的钢水流。
钢水流调节用的这些滑板有各种形状（长方形或圆形），而且与钢水流的铸钢孔比较，不对称。采用不同的耐火材料，可以是铝碳材料到镁质材料，也可以是碳、陶瓷材料，甚至采用氮化物结合。
滑动水口系统的滑板要承受苛刻的热机械应力，这种应力在使用中会系统地产生裂纹，这样的裂纹降低了耐火材料构件的强度。由于通过滑板进入空气对于钢水的洁净度和由于侵蚀对耐火材料的蚀损有不良的影响。
我们的问题是设想一种比市场上现有的滑动水口系统都密封性好的钢包滑动水口系统。目标是使钢的质量更好，对耐火材料的蚀损更轻；基本想法是确定一个耐火材料与最佳几何形状的组合，以便消除滑板的裂纹。
在效果方面，必须延长滑板的使用寿命并且通过滑动水口进行使用情况的有效跟踪。
最后一点，经济目标是降低该系统的使用费用，但是仍然要考虑操作人员和设备的安全性。
2目标
我们的目的是要设计一个标准化构造的滑动
水口以便使之适用于所有的钢包几何形状以及所有的维修支座的形状。
想法是要开发出一种与现行设计不同的耐火材料滑动水口。这种设想导致了在过去研究的基
文章编号：1673-7792（2009）05-0032-06
础上通过了解一种现代化强有力的计算工具以及更好地了解滑板组成材料的热机械性能来对机械系统中的耐火材料进行研究。
当然，我们不能不考虑滑动水口系统必须具有的一些主要功能：
———保证安全的严密关闭———控制钢水的流量调节———在铸钢期间保证密封———允许可能的氩气吸入
另一方面，我们希望保证钢包支座中进行的所有操作的跟踪。通过对在发生在维修支座中那些情况的深入研究，就能够跟踪影响耐火材料构件使用寿命和滑动水口本身使用寿命的参数。
最后，我们做出了深思熟虑的选择，使用一个液压系统。该系统必须与钢厂中使用的系统相匹配（＜200bars）。
耐火材料的系统规定参数是最苛刻的：———两个滑板是圆形的，以便使热机械应力最佳化。
———滑板是相同的，旨在降低费用（制造、供货），而且易于互换。
———滑板的安装必须均匀，不得使应力集中，使应力均匀地分布在各个点。机械堵塞会导致滑板产生裂纹，从而导致漏气。滑板的圆形会通过使磨损最佳化来提高滑板的使用寿命。这种最佳的形状会使滑板在维修操作期间旋转。这是一个对于现今市场上已知的其它滑板系统而言不可能存在的功能，不是由于不是圆形，就是由于远离中心的孔。
最后一点，必须将该滑动水口设计成易于维护、最佳化跟踪、适于操作人员要求的工作环境以及对操作人员和设备保护具有最大的安全性。
2009年10月第34卷第5期
耐火与石灰
·33·
3
滑动水口滑板的热机械研究
3.1
滑动水口滑板的功能和现有系统的缺点滑动水口系统的基本功能是在铸钢期间对钢
水流的控制。其要求如下：
———可靠的和坚固的机械设备———操作的规律性
———易于拆卸，易于更换损坏的部件———快速而且易于维修
那么通过机械工程的方法就基本上可以确定该系统。
第二个功能就是保证钢的质量。质量的要求导致了越来越严格的制造标准以及对夹杂物洁净度的化学分析，因为钢水浇铸仍然是一项将成本和风险施加到最终产品质量和价格上的操作。近来竭力开发高性能和高度可靠的滑动水口系统。
然而，考虑到滑动水口内部热机械条件的复杂性，特别是耐火材料部件内部的复杂性，故进展缓慢。现今，大部分现有滑动水口系统的设计只考虑到一点点或者没有考虑到钢的质量要求，即使是做了一些改进而且通常是基于某一经验。由于应力集中，径向和纵向裂纹靠近孔处，而且设计的不对称性也影响了滑板的性能。
因此，由于变化的空气进入量和耐火材料透气性的变坏从第一包次到最后一个包次的蚀损加速，发生了控制相当差的蚀损。这种劣化影响了钢的洁净度（吸收了氧、夹杂物）。
在最佳的滑板设计中，最好是考虑部件要承受的热应力来确定滑板、其框架和其几何形状，以便减少和控制由于进入空气而导致的钢的氧化，进而产生裂纹。
3.2在钢包中滑板的热机械性能
控制使用滑动水口耐火材料时形成的应力需
要研究影响热机械性能的参数和最佳组合。可以用结构和性能术语来说明滑动水口系统。通过耐火材料滑板的形状和尺寸来确定其结构。通过材料的特性和行为规律及通过耐火材料和钢水浇铸之间的相互作用来确定其性能。在实际操作中，最佳的组合如下：
在材料方面，采用具有低的弹性模数和低的膨胀系数的耐火材料可以改善机械性能。耐火材料应具有高的热扩散性来限定温度梯度曲线。如
果两种材料适应性良好，那么两种耐火材料的滑板复合材料也是一种解决方法。
在几何形状方面，最佳的设计是：
誗在中间轴向钻孔的圆形滑板誗最佳比滑板的半径和孔的半径
誗在滑板的外边施加外部压力时整个耐火材
料受压均匀
3.3通过滑动水口中滑板的耐断裂参数的有限元法的计算来确定
先前的一项研究已表明，圆的形状可以减少
滑板中的应力。然而通常这些滑板由于径向裂纹而导致寿命短。因此，本项工作的目的是要确定最佳的形状（半径比和厚度）以及最佳的快速固定来尽可能地降低应力。
如图1所示，用于计算的标定的几何形状是一个厚度大约为50mm的盘状件，该件具有一个
85mm的铸钢孔，其外径为295~450mm。采用一
个具有8个节点的六面体圆实现了一半滑板的三维模型。对于滑板来说，在圆周的方向有74个点，在厚度上有8个点，在径向有28个点。对于箍带来说，在圆周的方向也有74个点，在厚度上仅有4个点（比滑板少10mm），在径向仅有1个点。在等待阶段，空钢包内的加热部位是局部具体网的原点。
考虑使用的滑板处于密度等于2975kg·m-3的耐火材料中，其热膨胀系数相当恒定，相当于
6.75·10-6K-1。通过加压试验获得了杨氏模量和耐
压强度，而抗拉强度采用三点弯曲试验进行了评定。在图2中示出的所有的点都是在相同温度三次试验的平均值。图3示出了热容量和热导率的测定结果。对于箍带用钢进行了标准化（NFA48或EN1.0481）。
为了进行模拟，我们采用了耐火材料典型的弹性性能（温度取决于性能）和钢带完美的弹性塑性性能（温度也取决于性能）。第一步模拟箍带的安装来获得滑板中存在的残余应力。
然后分两步
·34·
REFRACTORIES&LIME
Oct.2009Vol.34No.5
进行计算：首先进行热传递计算和用获得的温度范围作为机械模拟的荷载。为了再现不同阶段（安装、加热、浇铸、等候等），限制条件随着模拟而发生变化（见图4）。考虑到本研究的通用性，每一阶段考虑到的持续时间是平均的估算时间。
a）加热
在400℃时将室温的滑板安装在滑动水口中并等待2h。采用10W·K-1m-2值的对流方式来模拟滑动水口和滑板之间的热传递。由于内水口和钢包砂的原因，不存在通过浇铸孔来自于钢包的热交换。在滑动水口底面上采用1MPa的均匀压力来模拟弹簧盒。滑动水口的顶面朝着轴向固定好。钢包保护管的接收部位无机械装置。如下面所解释的那样，已经将不同的径向固定件测定到最小应力：固定点（4个或8个），挠性连接。
b）浇铸
为了模拟浇铸，将浇铸孔的内面温度加热到
1600℃。由于钢包保护管和钢水的大量的热交
换，有理由假定钢包保护管很快达到了和浇铸孔板同样的温度。因此已经忽视了钢包保护管和滑板之间的热传递。采用1MPa的恒定压力模拟了钢包保护管和钢包之间的接触机械影响。其它的热与机械限定条件仍然保持不变。
c）冷却
在最长的两个小时期间，滑板保持关闭状态，钢包是空的，无砂。然后采用辐射系数0.7的
1200℃的中温辐射的方法模拟了空钢包内部和滑
板之间的热传递。除了无机械装置的钢包保护管部位之外，其它各处的热与机械限定条件仍然保持不变。
考虑到弹性、易碎性，通过内部加热管的壳体是众所周知的：一个厚壁管具有良好的耐热震性（在外径上有较低的拉伸应力）。然而太厚壁的管可能会产生高的内面压应力。那么本研究中考虑到的损坏标准说明了抗拉强度、抗压强度以及它们随着温度的变化。该损坏标准可以通过下面的公式进行标准化。
≤σmin（M，T）≥σc
σ
T）∈Ω×R（1）
min
(M，T）≤σ坌(M，t
在该公式中，将最小和最大应力确定为最小和最大主要应力（图5）。数字模拟表明，考虑到的管壳的直径比应大于5，以便将压力减少到最低程度。该结果取决于材料的热性能。确实，径向尺寸决定了热梯度曲线。此外，已注意到，厚度对压力范围的影响非常小，因此没有将其值最佳化。
尽管开头进行了最佳化，但是拉伸应力仍然
太高。确实固定的径向点通常用来使滑板能够在浇铸期间防止自由径向膨胀。
这些局部的径向压
2009年10月第34卷第5期
耐火与石灰
·35·
应力增大了直辐射的拉伸应力，这些拉伸应力在径向裂纹的起源处（垂直于最大主要应力）。然而，如图6所示，在拉伸应力的情况下，当固定点数增加时，滑板的体积变小。此外拉伸应力范围也变小。因此，控制径向裂纹的想法要完全压住滑板来平衡拉伸应力。但是它可能会在靠近浇铸孔处产生太高的压应力。那么，解决的方法是开发一种弹性固定件，该固定件能施加受到控制的径向压力来避免拉伸应力，而不会产生太高的压应力。
为了设计径向耐压带，进行了许多计算来判断保证可靠性标准方面的径向压力范围。结果表明，已考虑材料的最佳压力为：10MPa≤P≤15MPa。
径向压力在该范围的情况下，在900℃时，在箍带和关闭板（图7）孔之间的区域，于静止阶段时达到了最高的抗拉应力。在该温度下测定的抗拉强度为30MPa。因此，如图7所示，滑板的棱角可能在该部位产生裂纹。这是压力带的局部效应。然而整个滑板中的拉伸应力低于6MPa，这可能足以保证滑板的可靠性。
考虑到耐火材料的实际机械性能是非线性的，很清楚，过高地估算了采用纯弹性模型预计的应力。此外有限元法也出现了典型的误差（由于数值解导致的近似值）。那么，即使该压力范围不能保证不出现裂纹，那么计算出的应力也是低的，足以保证使用寿命长。现场的工业试验证实了这些工业结果。
4
线性滑动水口系统的定性法
4.1
基本功能
如前所述，为了使用简单，滑动水口系统必
须为线性设计，必须保证打开和关闭钢包的基本功能来调节钢水的流量。
除了这些功能之外，我们希望，滑动水口系统为标准组件型，适用性好，该系统包括两个创新原则：一条夹带来避免滑板的断裂和一个旋转系统。
4.2新型滑动水口系统的详细描述4.2.1
空间约束条件
空间约束条件涉及到两个因素：一方面，滑
动水口系统必须符合几何性质的工作约束条件，另一方面，该概念本身和浇铸孔与我们研制的滑动水口板的直径之比有关。
由钢包底的形状，当然还由钢包下面的高度确定了空间的限定条件（图8）。
在世界主要产钢区进行的一项研究表明，钢包的尺寸在各国家之间波动的幅度相当大，如表
1所示。
两个方面的组合促使我们开发了两个范围的滑动水口系统：第一范围滑动水口系统称为
MRS
·36·
REFRACTORIES&LIME
Oct.2009Vol.34No.5
100，可以接受波动为70的100mm的浇铸孔；第
二范围的滑动水口系统称为MRS70，可以接受波动为30的70mm的浇铸孔。
表1
钢包分布的一些例子
≤150t钢包
≥150t钢包
中国919印度8911巴西7426欧洲（*）6337日本3763美国7426加拿大4258滑动水口系统MRS70
MRS100
(*)法国、比利时、西班牙、意大利、德国、英国、瑞典、芬兰、
奥地利和捷克共和国
4.2.2避免钢水渗透和平移的限定条件
我们的系统是一个由液压千斤顶起动，通过悬臂支架和弹簧盒来产生滑板之间的压力，如图
9所示。
这些装置能够保持滑板之间的恒定压力，包括由于使用的滑板的重新调整使这些装置的厚度变小时也能保持恒定压力。
对我们所研究的滑动水口系统的计算表明，按照130bars（对于直径为450mm的滑板）滑板之间的压力足以避免滑板之间的任何泄漏或者渗透。
在相同的条件下，为了保证其功能，液压千斤顶所需的动力小于200bars，该压力适用于世界上大部分设备。
4.2.3耐火材料滑板的夹紧系统
我们开发出了一种保证使用后耐火材料预压力的金属带。在温度周期期间，特别是在冷却期间，在耐火材料的尺寸发生变化时压力保持恒定，如图10所示。
4.2.4滑板的旋转系统
由于圆形滑板没有一般性裂纹，所以根据若干个径向通路可以使用该系统。对于预定角度的位移，在钢包维修站进行可编程序旋转（图9）。
4.2.5追踪能力
可编程序表明了在维修站所做的追踪能力；通过延伸，采用下列参数，该系统包括在旋转中和平移中滑动水口系统移动的全面监控：
———液压行程的液压压力、位移的长度和时间
———滑板的预压压力
———耐火材料滑板的夹紧压力
工作站中操作的全面管理包括钢包的鉴别和滑动水口系统的鉴别。所有的这些方面都会指导并充分地了解在使用中的滑动水口系统的功能以及通过预防性维护操作进行最佳的控制。
5
工业应用
5.1
CARSID公司（欧洲集团）现场的工业应用
结果
CARSID公司是Duferco集团的一个成员，具
有1900000t的年生产能力。该子公司已设有三座170t底吹吹氧转炉，一座钢包炉和一个钢包处理站。
有两台连铸机：一台双板坯浇铸机，另一台为单板坯浇铸机。
CARSID公司生产低炭素钢、包晶钢和高炭素
钢。特别是在单板坯浇铸机上生产占产量20%的钢材，采用高锰和/或CaSi进行处理。这些处理对耐火材料都非常有害。
双板坯浇铸机上的浇铸时间为30~40min，单板坯浇铸机上的浇铸时间为45~70min。
在CARSID公司滑板的参考使用寿命为4包
2009年10月第34卷第5期
耐火与石灰
·37·
次。在试用期（450包次）期间，采用相同的耐火材料，但在MRS100中新滑板的使用寿命为6~
8包次。随后进行了两次修理（图11）。两次修理
后耐火材料的使用寿命为18包次。
5.2人机控制条件的改进和操作人员的安全在CARSID公司的钢包维护区，为了耐火材
料滑板和内水口的移动以及运送的要求安装了一个机械人，千斤顶只用于滑板的旋转操作和平移操作，如图12所示。
机械人放在轨道上，和液压系统一起为操作人员运送备用的耐火材料以及小型设备。因此，由于改进了人机控制性能，机械人使操作人员在工作站更加安全。
5.3经济效益
由于在技术文章中详述了MRS100的设想，
钢包滑动水口系统的创新发展为用户带来了巨大的经济效益。
包括滑板、内水口和火泥在内的耐火材料，还包括滑动水口系统本身的费用将降低15%，根据孔径和浇铸钢的质量，可能会更高一些。钢包用滑动水口系统的这项新发展满足了钢厂降低费用的要求，而且由于滑板长的使用寿命使消耗的原料大幅度减少。
6前景
技术水口S.A(Tech-gateS.A)的最近的创新
是一个钢包钢水流量的调节系统，是一项高新技术。这项技术可使操作费用大幅度降低。
称为MRS100的标准组件的滑动水口系统正在申请世界级专利并在线性抽拉装置中采用了下列创新操作方法：
———通过在钢包支座中的可编程序的顺序旋转使滑板最佳化
———通过监控滑动水口系统功能参数，特别是滑板与滑板的加压件之间的压力参数的监控提高了安全性
数项研究已经具备了开发一种新型滑动水口的条件。这种独特的想法能够提供非同一般的效益。这种新型滑板能够不产生通常观察到的耐火材料的裂纹并且降低耐火材料的侵蚀。MRS100配备有一个非刚性的滑板夹紧系统，该系统可避免滑板断裂。在钢包支座中所述滑板的旋转可以采用在360°上的浇铸孔。
与现在市场上滑动水口相比，这两项功能的组合就会大幅度减少使用费用达10%~20%。
此外，在经济效益方面，MRS100还具有操作的安全性和简单性，由于降低了耐火材料的消耗，还符合为世界钢厂所确定的环境保护目标。
徐庆斌
编译自《AISTech2008
Proceedings》，
Vol.Ⅰ：1339~1350
王晓阳
校
收稿日期：
2009-05-11