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 濟南250101）

1 前 言

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

2 水口結瘤物、堵塞物的結構

目前水口材質多以熔融石英或鋁-碳為基本材料，澆注過程中，水口內壁經(jīng)常有結瘤物或堵塞物，在連鑄機上的表現(xiàn)為塞棒的上漲、鑄速或結晶器液面的下降。理想情況下，結瘤物在水口內壁上較為均勻地分布，但可能在某些部位比較嚴重。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鋼水的流場也有不同的影響［2］。目前結瘤和堵塞現(xiàn)象難以預測，只有少量文獻采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計［3］、神經(jīng)網(wǎng)絡［4］和電磁制動控制［5］的方法大致判斷趨勢。

水口內壁結瘤物與水口堵塞物普遍存在著分層現(xiàn)象，從諸多文獻中看出，結瘤物或堵塞物從水口外層向水口中心分層，依次為水口材質侵蝕層、夾雜物燒結層、含鋼夾雜物層。各層的厚度、結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，侵蝕層內存在該類元素的氧化物、硫化物、尖晶石夾雜物［6-10］。對于硫含量較高的鋼水來說，Al、Ti、稀土元素等含量較低時，侵蝕層厚度更不明顯，其內可見熔點較高的CaS等夾雜物［11］；夾雜物燒結層較為致密，化學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，含有更多的低熔點硫化物等夾雜物。結瘤物或堵塞物的結構會受到鋼水流向的直接影響，當鋼水在浸入式水口內部發(fā)生偏流時，結瘤物的分布也會不對稱，張立峰等就詳細報道了偏流引起的不對稱水口結瘤［12-13］。

3 水口結瘤、堵塞的原因分析

結瘤物的來源是冶煉過程的脫氧產物、鋼水與耐材的反應產物或者吸氣造成的二次氧化產物。對于內生脫氧產物、二次氧化產物的形成已經(jīng)獲得了共識，在鋼水與耐材的反應產物、夾雜物粘附方面還需要重點研究。

對于復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也得到了廣泛認可。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)生如下的化學反應［8］：

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

這些反應生成的復雜氧化物粘附在水口內壁上成為結瘤物或堵塞物，與觀察到的實際現(xiàn)象吻合。對于夾雜物在水口內壁的粘附模型，T.Botelho提出的水口堵塞機理是Al2O3等夾雜物的沉積，如圖1所示。隨鋼液流動的夾雜物顆粒懸浮在鋼水中（圖1a），當移動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），燒結形成瘤狀物和堵塞物（圖1d）［16］。聚集的過程可能與溫度、顆粒大小、接觸表面粗糙度相關。文獻［17］指出小尺寸夾雜物，大水口內壁粗糙度和鋼水較慢的移動速度均會促進結瘤和堵塞［18］，鋼水流速較小的滯留區(qū)，夾雜物更容易粘附在內壁上［19］。

圖1 夾雜物顆粒在水口內壁上粘附模型示意圖［14］

也有許多學者認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認為Al2O3的結瘤主要有4個原因：鋼中金屬元素與耐材的反應，鋁元素與水口吸氣而發(fā)生的氧化，內生脫氧產物和溫度下降造成的析出［20］。近些年來，東北大學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，該理論模型認為鋼液流經(jīng)水口與水口內壁耐火材料產生摩擦，使得浸入式水口內壁將帶有多余的自由電荷（圖2a），在靜電力和鋼液流體切應力作用下，逐漸形成了雙層電荷結構（圖2b），這些電荷將會影響鋼液與耐火材料固液兩相界面間的潤濕性、物理吸附和界面反應等。通過外加電場，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 夾雜物在水口內壁上粘附的雙電荷層模型示意圖［21］

4 水口結瘤、堵塞的控制措施

基于結瘤物和堵塞物的來源，針對其形成原因，目前可以減少或降低浸入式水口結瘤和堵塞的控制措施主要包括：改善水口材質及結構、減少夾雜物或改性夾雜物、優(yōu)化局部鋼水流動狀態(tài)和施加外場。

4.1 改善水口材質及結構

鑒于夾雜物在水口內壁的粘附導致結瘤和堵塞，水口內壁的表面狀態(tài)影響粘附的效率。水口內壁選用無碳材料，可以避免烘烤脫碳造成的表面缺陷，提高水口內壁光滑程度［24-25］，減輕水口結瘤；在水口內壁使用致密Al2O3涂層也可以起到改善效果［26］。水口基體材質的改變，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］，鈦酸鈣材質的水口的防堵效果明顯優(yōu)于鋁碳質水口，鋯酸鈣水口材質水口略好于鋁碳質水口［28］。另一方面，改善水口的形狀，減少鋼水流動速度或溫度場的突然變化，重點是減少鋼水在內壁表面的停滯時間，可以抵制結瘤或堵塞［29-31］。

4.2 減少夾雜物或改性夾雜物

夾雜物是水口結瘤和堵塞的物質基礎，減少夾雜物或改性夾雜物都會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，將高熔點的夾雜物轉變化為低熔點的夾雜物。例如鈣處理能將熔點較高的Al2O3夾雜轉化為低熔點的鋁酸鈣物質［31］，T.Botelho［32］和R.E.Lino［33］等人詳細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，可以降低空氣流動形成的負壓，減少從水口吸入的氧，降低夾雜物的生成，優(yōu)化局部鋼水的流動狀態(tài)，促進夾雜物的上浮，阻擋鋼水與內壁的接觸［34-35］，能夠針對性地降低某些部位的結瘤或堵塞。在外部電磁場的作用下，水口內部的鋼水能夠旋轉流動，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］，在水口座磚內置入感應線圈，通過電磁感應加熱，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［6，38-39］提出了水口外層使用陶瓷纖維隔熱，增加水口內層厚度、應用絕熱材料等浸入式水口保溫措施。

4.4 施加外場

隨著制造業(yè)和裝備水平的提高，越來越多的先進技術應用到鋼鐵生產。對于某些鋼種，施加外場可能具有良好的應用效果。文獻［17］報道了電磁攪拌可以減少鋼水在浸入式水口上部的停滯時間，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的應用，楊瑩等人利用電磁裝置使鋼水在水口內部形成旋流，Al2O3等夾雜物向旋流中心移動，抑制了水口堵塞［40］。在基于雙層電荷模型的理論基礎上，將外置電源和連鑄部件形成回路，塞棒接正極、水口接負極（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)總結了脈沖電流調控金屬熔體中的非金屬夾雜物技術，對比了直流電、交流電、脈沖電流等外場對夾雜物行為的影響，指出脈沖電流去除夾雜物技術在抑制稀土鋼等鋼種的水口堵塞方面具有極佳的應用前景［41］。

5 結 論

5.1 浸入式水口結瘤物和堵塞物來源于鋼中內生夾雜物、二次氧化生成物、鋼水與耐材的反應產物。鋼水中的活潑金屬元素能夠與水口材質發(fā)生反應，生成高熔點的復雜夾雜物，并由于界面能或電荷屬性等驅動力的影響，在水口內壁表面上粘附。

5.2 通過改善水口材質及結構、減少夾雜物或改性夾雜物、調整局部鋼水流動狀態(tài)和施加電磁外場可以控制浸入式水口結瘤和堵塞。

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