連鑄浸入式水口結(jié)瘤和堵塞的原因分析及控制措施*

劉成寶，何 毅，王 毅，許榮昌

（山東鋼鐵股份有限公司研究院，山東 濟(jì)南250101）

1 前 言

連鑄浸入式水口是連接中間包和結(jié)晶器的關(guān)鍵耐材，鋼水通過(guò)浸入式水口進(jìn)入結(jié)晶器，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)浸入式水口上部與塞棒的相對(duì)位置，改變兩者之間的縫隙，控制著浸入式水口截面過(guò)鋼量和連鑄機(jī)生產(chǎn)效率，決定著結(jié)晶器液面狀態(tài)，從而影響到連鑄坯質(zhì)量。在傳輸過(guò)程中，鋼水與浸入式水口內(nèi)壁不可避免地接觸，鋼水含有的夾雜物在水口內(nèi)壁粘附、聚集，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，在水口內(nèi)壁形成結(jié)瘤物。這些結(jié)瘤物一方面易被鋼水沖刷進(jìn)入結(jié)晶器，以較大尺寸的夾雜物留存在連鑄坯內(nèi)；另一方面由于結(jié)瘤物形狀不規(guī)則，造成塞棒控制失穩(wěn)和結(jié)晶器液面大幅波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)引起水口堵塞，甚至導(dǎo)致連鑄停澆的生產(chǎn)事故。總結(jié)夾雜物與浸入式水口的相互作用，分析結(jié)瘤、堵塞的原因，介紹此類現(xiàn)象的研究現(xiàn)狀和常見(jiàn)控制措施。

2 水口結(jié)瘤物、堵塞物的結(jié)構(gòu)

目前水口材質(zhì)多以熔融石英或鋁-碳為基本材料，澆注過(guò)程中，水口內(nèi)壁經(jīng)常有結(jié)瘤物或堵塞物，在連鑄機(jī)上的表現(xiàn)為塞棒的上漲、鑄速或結(jié)晶器液面的下降。理想情況下，結(jié)瘤物在水口內(nèi)壁上較為均勻地分布，但可能在某些部位比較嚴(yán)重。例如在水口下部鋼水流出孔處更為明顯［1］，而且堵塞位置不同對(duì)鋼水的流場(chǎng)也有不同的影響［2］。目前結(jié)瘤和堵塞現(xiàn)象難以預(yù)測(cè)，只有少量文獻(xiàn)采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)［3］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［4］和電磁制動(dòng)控制［5］的方法大致判斷趨勢(shì)。

水口內(nèi)壁結(jié)瘤物與水口堵塞物普遍存在著分層現(xiàn)象，從諸多文獻(xiàn)中看出，結(jié)瘤物或堵塞物從水口外層向水口中心分層，依次為水口材質(zhì)侵蝕層、夾雜物燒結(jié)層、含鋼夾雜物層。各層的厚度、結(jié)瘤物的成分因鋼種的不同而略有差別。在澆注含有Al、Ti、稀土元素等活潑元素的鋼水后，侵蝕層內(nèi)存在該類元素的氧化物、硫化物、尖晶石夾雜物［6-10］。對(duì)于硫含量較高的鋼水來(lái)說(shuō)，Al、Ti、稀土元素等含量較低時(shí)，侵蝕層厚度更不明顯，其內(nèi)可見(jiàn)熔點(diǎn)較高的CaS等夾雜物［11］；夾雜物燒結(jié)層較為致密，化學(xué)成分與鋼中夾雜物成分相同；含鋼夾雜物層致密度低，除含有較多的凝鋼顆粒、鐵的氧化物顆粒外，與前兩層相比，含有更多的低熔點(diǎn)硫化物等夾雜物。結(jié)瘤物或堵塞物的結(jié)構(gòu)會(huì)受到鋼水流向的直接影響，當(dāng)鋼水在浸入式水口內(nèi)部發(fā)生偏流時(shí)，結(jié)瘤物的分布也會(huì)不對(duì)稱，張立峰等就詳細(xì)報(bào)道了偏流引起的不對(duì)稱水口結(jié)瘤［12-13］。

3 水口結(jié)瘤、堵塞的原因分析

結(jié)瘤物的來(lái)源是冶煉過(guò)程的脫氧產(chǎn)物、鋼水與耐材的反應(yīng)產(chǎn)物或者吸氣造成的二次氧化產(chǎn)物。對(duì)于內(nèi)生脫氧產(chǎn)物、二次氧化產(chǎn)物的形成已經(jīng)獲得了共識(shí)，在鋼水與耐材的反應(yīng)產(chǎn)物、夾雜物粘附方面還需要重點(diǎn)研究。

對(duì)于復(fù)相夾雜物的形成和水口脫碳層或侵蝕層的形成原因，許多專家提出的鋼中金屬元素與耐材的反應(yīng)也得到了廣泛認(rèn)可。含有石墨的耐材水口在脫碳后，金屬元素與耐材在界面發(fā)生如下的化學(xué)反應(yīng)［8］：

對(duì)于活性金屬元素Mg、Ti，稀土元素La、Ce等與水口材質(zhì)中的Al2O3存在著類似的如下反應(yīng)［14-15］：

這些反應(yīng)生成的復(fù)雜氧化物粘附在水口內(nèi)壁上成為結(jié)瘤物或堵塞物，與觀察到的實(shí)際現(xiàn)象吻合。對(duì)于夾雜物在水口內(nèi)壁的粘附模型，T.Botelho提出的水口堵塞機(jī)理是Al2O3等夾雜物的沉積，如圖1所示。隨鋼液流動(dòng)的夾雜物顆粒懸浮在鋼水中（圖1a），當(dāng)移動(dòng)到鋼水與水口界面處，部分顆粒與鋼水接觸，由于夾雜物與鋼水的界面能大于夾雜物與耐火材料的界面能，夾雜物顆粒粘附到耐火材料表面（圖1b），夾雜物顆粒不斷地聚集（圖1c），燒結(jié)形成瘤狀物和堵塞物（圖1d）［16］。聚集的過(guò)程可能與溫度、顆粒大小、接觸表面粗糙度相關(guān)。文獻(xiàn)［17］指出小尺寸夾雜物，大水口內(nèi)壁粗糙度和鋼水較慢的移動(dòng)速度均會(huì)促進(jìn)結(jié)瘤和堵塞［18］，鋼水流速較小的滯留區(qū)，夾雜物更容易粘附在內(nèi)壁上［19］。

圖1 夾雜物顆粒在水口內(nèi)壁上粘附模型示意圖［14］

也有許多學(xué)者認(rèn)為水口堵塞不是單一原因而是多重因素的耦合效果。S.N.SINGH認(rèn)為Al2O3的結(jié)瘤主要有4個(gè)原因：鋼中金屬元素與耐材的反應(yīng)，鋁元素與水口吸氣而發(fā)生的氧化，內(nèi)生脫氧產(chǎn)物和溫度下降造成的析出［20］。近些年來(lái)，東北大學(xué)于景坤等形成了水口堵塞的雙層電荷理論［21-23］，如圖2所示，該理論模型認(rèn)為鋼液流經(jīng)水口與水口內(nèi)壁耐火材料產(chǎn)生摩擦，使得浸入式水口內(nèi)壁將帶有多余的自由電荷（圖2a），在靜電力和鋼液流體切應(yīng)力作用下，逐漸形成了雙層電荷結(jié)構(gòu)（圖2b），這些電荷將會(huì)影響鋼液與耐火材料固液兩相界面間的潤(rùn)濕性、物理吸附和界面反應(yīng)等。通過(guò)外加電場(chǎng)，可以減輕或消除雙層電荷的影響，改善水口堵塞的狀況（圖2c）。

圖2 夾雜物在水口內(nèi)壁上粘附的雙電荷層模型示意圖［21］

4 水口結(jié)瘤、堵塞的控制措施

基于結(jié)瘤物和堵塞物的來(lái)源，針對(duì)其形成原因，目前可以減少或降低浸入式水口結(jié)瘤和堵塞的控制措施主要包括：改善水口材質(zhì)及結(jié)構(gòu)、減少夾雜物或改性?shī)A雜物、優(yōu)化局部鋼水流動(dòng)狀態(tài)和施加外場(chǎng)。

4.1 改善水口材質(zhì)及結(jié)構(gòu)

鑒于夾雜物在水口內(nèi)壁的粘附導(dǎo)致結(jié)瘤和堵塞，水口內(nèi)壁的表面狀態(tài)影響粘附的效率。水口內(nèi)壁選用無(wú)碳材料，可以避免烘烤脫碳造成的表面缺陷，提高水口內(nèi)壁光滑程度［24-25］，減輕水口結(jié)瘤；在水口內(nèi)壁使用致密Al2O3涂層也可以起到改善效果［26］。水口基體材質(zhì)的改變，尤其是鋼水溫度條件下穩(wěn)定性良好材料的引用可以抑制水口結(jié)瘤，在鋯層添加YSZ材料能夠減少部分鋼種的水口堵塞［27］，鈦酸鈣材質(zhì)的水口的防堵效果明顯優(yōu)于鋁碳質(zhì)水口，鋯酸鈣水口材質(zhì)水口略好于鋁碳質(zhì)水口［28］。另一方面，改善水口的形狀，減少鋼水流動(dòng)速度或溫度場(chǎng)的突然變化，重點(diǎn)是減少鋼水在內(nèi)壁表面的停滯時(shí)間，可以抵制結(jié)瘤或堵塞［29-31］。

4.2 減少夾雜物或改性?shī)A雜物

夾雜物是水口結(jié)瘤和堵塞的物質(zhì)基礎(chǔ)，減少夾雜物或改性?shī)A雜物都會(huì)影響到夾雜物在水口的粘附行為。在滿足成分要求的前提下，將高熔點(diǎn)的夾雜物轉(zhuǎn)變化為低熔點(diǎn)的夾雜物。例如鈣處理能將熔點(diǎn)較高的Al2O3夾雜轉(zhuǎn)化為低熔點(diǎn)的鋁酸鈣物質(zhì)［31］，T.Botelho［32］和R.E.Lino［33］等人詳細(xì)介紹了可以減輕水口堵塞的液態(tài)夾雜物成分范圍。

4.3 優(yōu)化局部鋼水流動(dòng)狀態(tài)

浸入式水口周圍區(qū)域吹氬，包括塞棒頭部、水口座磚、水口上部或水口中部等位置吹氬，可以降低空氣流動(dòng)形成的負(fù)壓，減少?gòu)乃谖氲难?，降低夾雜物的生成，優(yōu)化局部鋼水的流動(dòng)狀態(tài)，促進(jìn)夾雜物的上浮，阻擋鋼水與內(nèi)壁的接觸［34-35］，能夠針對(duì)性地降低某些部位的結(jié)瘤或堵塞。在外部電磁場(chǎng)的作用下，水口內(nèi)部的鋼水能夠旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，大幅減少偏流的發(fā)生，沖刷水口壁粘附的夾雜物，可以在一定程度上抑制水口堵塞［36］。另外在浸入式水口外側(cè)裝配保溫或加熱裝置立面，借鑒鋼包電磁出鋼水口的方法［37］，在水口座磚內(nèi)置入感應(yīng)線圈，通過(guò)電磁感應(yīng)加熱，可有利于抑制浸入式水口上部區(qū)域的水口堵塞。在浸入式水口保溫方面，文獻(xiàn)［6，38-39］提出了水口外層使用陶瓷纖維隔熱，增加水口內(nèi)層厚度、應(yīng)用絕熱材料等浸入式水口保溫措施。

4.4 施加外場(chǎng)

隨著制造業(yè)和裝備水平的提高，越來(lái)越多的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到鋼鐵生產(chǎn)。對(duì)于某些鋼種，施加外場(chǎng)可能具有良好的應(yīng)用效果。文獻(xiàn)［17］報(bào)道了電磁攪拌可以減少鋼水在浸入式水口上部的停滯時(shí)間，減少夾雜物在水口壁上的粘附。在浸入式水口下部區(qū)域也有電磁攪拌技術(shù)的應(yīng)用，楊瑩等人利用電磁裝置使鋼水在水口內(nèi)部形成旋流，Al2O3等夾雜物向旋流中心移動(dòng)，抑制了水口堵塞［40］。在基于雙層電荷模型的理論基礎(chǔ)上，將外置電源和連鑄部件形成回路，塞棒接正極、水口接負(fù)極（圖2c），可以減輕Al2O3在浸入式水口上的堵塞［21-23］。張新房等系統(tǒng)總結(jié)了脈沖電流調(diào)控金屬熔體中的非金屬夾雜物技術(shù)，對(duì)比了直流電、交流電、脈沖電流等外場(chǎng)對(duì)夾雜物行為的影響，指出脈沖電流去除夾雜物技術(shù)在抑制稀土鋼等鋼種的水口堵塞方面具有極佳的應(yīng)用前景［41］。

5 結(jié) 論

5.1 浸入式水口結(jié)瘤物和堵塞物來(lái)源于鋼中內(nèi)生夾雜物、二次氧化生成物、鋼水與耐材的反應(yīng)產(chǎn)物。鋼水中的活潑金屬元素能夠與水口材質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成高熔點(diǎn)的復(fù)雜夾雜物，并由于界面能或電荷屬性等驅(qū)動(dòng)力的影響，在水口內(nèi)壁表面上粘附。

5.2 通過(guò)改善水口材質(zhì)及結(jié)構(gòu)、減少夾雜物或改性?shī)A雜物、調(diào)整局部鋼水流動(dòng)狀態(tài)和施加電磁外場(chǎng)可以控制浸入式水口結(jié)瘤和堵塞。

5.3 電磁攪拌、電磁旋流、脈沖電場(chǎng)等方法是抑制浸入式水口結(jié)瘤和堵塞的新興技術(shù)。