連鑄浸入式水口是連接中間包和結(jié)晶器的關(guān)鍵耐材，鋼水通過浸入式水口進入結(jié)晶器，通過實時調(diào)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(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，隨著時間延長，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，嚴重時引起水口堵塞，甚至導(dǎo)致連鑄停澆的生產(chǎn)事故。

目前水口材質(zhì)多以熔融石英或鋁-碳為基本材料，澆注過程中，水口內(nèi)壁經(jīng)常有結(jié)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(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重。例如在水口下部鋼水流出孔處更為明顯，而且堵塞位置不同對鋼水的流場也有不同的影響。目前結(jié)瘤和堵塞現(xiàn)象難以預(yù)測，只有少量文獻采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和電磁制動控制的方法大致判斷趨勢。

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。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(nèi)可見熔點較高的CaS等夾雜物;夾雜物燒結(jié)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(jié)瘤物或堵塞物的結(jié)構(gòu)會受到鋼水流向的直接影響，當鋼水在浸入式水口內(nèi)部發(fā)生偏流時，結(jié)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(jié)瘤。

水口結(jié)瘤、堵塞的原因分析

結(jié)瘤物的來源是冶煉過程的脫氧產(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，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研究。

對于復(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(yīng)：

3CO(g)+2[Al]=Al?O(3s)+3[C];? (1)

4[Al]+3O(2g)=2Al?O?;? (2)

2[Ca]+O(2g)=2CaO;? (3)

CaO+6Al?O?=CaO·6Al?O?;? (4)

CaO·6Al?O?+2CaO=3CaO·2Al?O?。 (5)

對于活性金屬元素Mg、Ti，稀土元素La、Ce等與水口材質(zhì)中的Al?O?存在著類似的如下反應(yīng)：

2[Al]+4MgO(s)=MgO·Al?O(3s)+3[Mg];? ?(6)

2[Ce]+2Al?O?=2CeAlO?+2[Al]。 (7)

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，與觀察到的實際現(xiàn)象吻合。對于夾雜物在水口內(nèi)壁的粘附模型，T.Botelho提出的水口堵塞機理是Al?O?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(jié)形成瘤狀物和堵塞物(圖1d)。聚集的過程可能與溫度、顆粒大小、接觸表面粗糙度相關(guān)。文獻指出小尺寸夾雜物，大水口內(nèi)壁粗糙度和鋼水較慢的移動速度均會促進結(jié)瘤和堵塞，鋼水流速較小的滯留區(qū)，夾雜物更容易粘附在內(nèi)壁上。

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Al?O?的結(jié)瘤主要有4個原因：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。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，如圖2所示，該理論模型認為鋼液流經(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(yīng)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。

改善或降低水口堵塞的措施

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)、減少夾雜物或改性夾雜物、優(yōu)化局部鋼水流動狀態(tài)和施加外場。

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，減輕水口結(jié)瘤;在水口內(nèi)壁使用致密Al?O?涂層也可以起到改善效果。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，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。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(nèi)壁表面的停滯時間，可以抵制結(jié)瘤或堵塞。

2、減少夾雜物或改性夾雜物

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(zhuǎn)變化為低熔點的夾雜物。例如鈣處理能將熔點較高的Al?O?夾雜轉(zhuǎn)化為低熔點的鋁酸鈣物質(zhì)，T.Botelho和R.E.Lino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。

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(nèi)壁的接觸，能夠針對性地降低某些部位的結(jié)瘤或堵塞。在外部電磁場的作用下，水口內(nèi)部的鋼水能夠旋轉(zhuǎn)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。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，在水口座磚內(nèi)置入感應(yīng)線圈，通過電磁感應(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、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(shù)應(yīng)用到鋼鐵生產(chǎn)。對于某些鋼種，施加外場可能具有良好的應(yīng)用效果。文獻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(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，Al?O?等夾雜物向旋流中心移動，抑制了水口堵塞。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、水口接負極(圖2c)，可以減輕Al?O?在浸入式水口上的堵塞。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(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。