连铸浸入式水口结瘤和堵塞的原因分析及控制措施*

刘成宝，何 毅，王 毅，许荣昌

（山东钢铁股份有限公司研究院，山东 济南250101）

1 前 言

连铸浸入式水口是连接中间包和结晶器的关键耐材，钢水通过浸入式水口进入结晶器，通过实时调节浸入式水口上部与塞棒的相对位置，改变两者之间的缝隙，控制着浸入式水口截面过钢量和连铸机生产效率，决定着结晶器液面状态，从而影响到连铸坯质量。在传输过程中，钢水与浸入式水口内壁不可避免地接触，钢水含有的夹杂物在水口内壁粘附、聚集，随着时间延长，在水口内壁形成结瘤物。这些结瘤物一方面易被钢水冲刷进入结晶器，以较大尺寸的夹杂物留存在连铸坯内；另一方面由于结瘤物形状不规则，造成塞棒控制失稳和结晶器液面大幅波动，严重时引起水口堵塞，甚至导致连铸停浇的生产事故。总结夹杂物与浸入式水口的相互作用，分析结瘤、堵塞的原因，介绍此类现象的研究现状和常见控制措施。

2 水口结瘤物、堵塞物的结构

目前水口材质多以熔融石英或铝-碳为基本材料，浇注过程中，水口内壁经常有结瘤物或堵塞物，在连铸机上的表现为塞棒的上涨、铸速或结晶器液面的下降。理想情况下，结瘤物在水口内壁上较为均匀地分布，但可能在某些部位比较严重。例如在水口下部钢水流出孔处更为明显［1］，而且堵塞位置不同对钢水的流场也有不同的影响［2］。目前结瘤和堵塞现象难以预测，只有少量文献采用数据统计［3］、神经网络［4］和电磁制动控制［5］的方法大致判断趋势。

水口内壁结瘤物与水口堵塞物普遍存在着分层现象，从诸多文献中看出，结瘤物或堵塞物从水口外层向水口中心分层，依次为水口材质侵蚀层、夹杂物烧结层、含钢夹杂物层。各层的厚度、结瘤物的成分因钢种的不同而略有差别。在浇注含有Al、Ti、稀土元素等活泼元素的钢水后，侵蚀层内存在该类元素的氧化物、硫化物、尖晶石夹杂物［6-10］。对于硫含量较高的钢水来说，Al、Ti、稀土元素等含量较低时，侵蚀层厚度更不明显，其内可见熔点较高的CaS等夹杂物［11］；夹杂物烧结层较为致密，化学成分与钢中夹杂物成分相同；含钢夹杂物层致密度低，除含有较多的凝钢颗粒、铁的氧化物颗粒外，与前两层相比，含有更多的低熔点硫化物等夹杂物。结瘤物或堵塞物的结构会受到钢水流向的直接影响，当钢水在浸入式水口内部发生偏流时，结瘤物的分布也会不对称，张立峰等就详细报道了偏流引起的不对称水口结瘤［12-13］。

3 水口结瘤、堵塞的原因分析

结瘤物的来源是冶炼过程的脱氧产物、钢水与耐材的反应产物或者吸气造成的二次氧化产物。对于内生脱氧产物、二次氧化产物的形成已经获得了共识，在钢水与耐材的反应产物、夹杂物粘附方面还需要重点研究。

对于复相夹杂物的形成和水口脱碳层或侵蚀层的形成原因，许多专家提出的钢中金属元素与耐材的反应也得到了广泛认可。含有石墨的耐材水口在脱碳后，金属元素与耐材在界面发生如下的化学反应［8］：

对于活性金属元素Mg、Ti，稀土元素La、Ce等与水口材质中的Al2O3存在着类似的如下反应［14-15］：

这些反应生成的复杂氧化物粘附在水口内壁上成为结瘤物或堵塞物，与观察到的实际现象吻合。对于夹杂物在水口内壁的粘附模型，T.Botelho提出的水口堵塞机理是Al2O3等夹杂物的沉积，如图1所示。随钢液流动的夹杂物颗粒悬浮在钢水中（图1a），当移动到钢水与水口界面处，部分颗粒与钢水接触，由于夹杂物与钢水的界面能大于夹杂物与耐火材料的界面能，夹杂物颗粒粘附到耐火材料表面（图1b），夹杂物颗粒不断地聚集（图1c），烧结形成瘤状物和堵塞物（图1d）［16］。聚集的过程可能与温度、颗粒大小、接触表面粗糙度相关。文献［17］指出小尺寸夹杂物，大水口内壁粗糙度和钢水较慢的移动速度均会促进结瘤和堵塞［18］，钢水流速较小的滞留区，夹杂物更容易粘附在内壁上［19］。

图1 夹杂物颗粒在水口内壁上粘附模型示意图［14］

也有许多学者认为水口堵塞不是单一原因而是多重因素的耦合效果。S.N.SINGH认为Al2O3的结瘤主要有4个原因：钢中金属元素与耐材的反应，铝元素与水口吸气而发生的氧化，内生脱氧产物和温度下降造成的析出［20］。近些年来，东北大学于景坤等形成了水口堵塞的双层电荷理论［21-23］，如图2所示，该理论模型认为钢液流经水口与水口内壁耐火材料产生摩擦，使得浸入式水口内壁将带有多余的自由电荷（图2a），在静电力和钢液流体切应力作用下，逐渐形成了双层电荷结构（图2b），这些电荷将会影响钢液与耐火材料固液两相界面间的润湿性、物理吸附和界面反应等。通过外加电场，可以减轻或消除双层电荷的影响，改善水口堵塞的状况（图2c）。

图2 夹杂物在水口内壁上粘附的双电荷层模型示意图［21］

4 水口结瘤、堵塞的控制措施

基于结瘤物和堵塞物的来源，针对其形成原因，目前可以减少或降低浸入式水口结瘤和堵塞的控制措施主要包括：改善水口材质及结构、减少夹杂物或改性夹杂物、优化局部钢水流动状态和施加外场。

4.1 改善水口材质及结构

鉴于夹杂物在水口内壁的粘附导致结瘤和堵塞，水口内壁的表面状态影响粘附的效率。水口内壁选用无碳材料，可以避免烘烤脱碳造成的表面缺陷，提高水口内壁光滑程度［24-25］，减轻水口结瘤；在水口内壁使用致密Al2O3涂层也可以起到改善效果［26］。水口基体材质的改变，尤其是钢水温度条件下稳定性良好材料的引用可以抑制水口结瘤，在锆层添加YSZ材料能够减少部分钢种的水口堵塞［27］，钛酸钙材质的水口的防堵效果明显优于铝碳质水口，锆酸钙水口材质水口略好于铝碳质水口［28］。另一方面，改善水口的形状，减少钢水流动速度或温度场的突然变化，重点是减少钢水在内壁表面的停滞时间，可以抵制结瘤或堵塞［29-31］。

4.2 减少夹杂物或改性夹杂物

夹杂物是水口结瘤和堵塞的物质基础，减少夹杂物或改性夹杂物都会影响到夹杂物在水口的粘附行为。在满足成分要求的前提下，将高熔点的夹杂物转变化为低熔点的夹杂物。例如钙处理能将熔点较高的Al2O3夹杂转化为低熔点的铝酸钙物质［31］，T.Botelho［32］和R.E.Lino［33］等人详细介绍了可以减轻水口堵塞的液态夹杂物成分范围。

4.3 优化局部钢水流动状态

浸入式水口周围区域吹氩，包括塞棒头部、水口座砖、水口上部或水口中部等位置吹氩，可以降低空气流动形成的负压，减少从水口吸入的氧，降低夹杂物的生成，优化局部钢水的流动状态，促进夹杂物的上浮，阻挡钢水与内壁的接触［34-35］，能够针对性地降低某些部位的结瘤或堵塞。在外部电磁场的作用下，水口内部的钢水能够旋转流动，大幅减少偏流的发生，冲刷水口壁粘附的夹杂物，可以在一定程度上抑制水口堵塞［36］。另外在浸入式水口外侧装配保温或加热装置立面，借鉴钢包电磁出钢水口的方法［37］，在水口座砖内置入感应线圈，通过电磁感应加热，可有利于抑制浸入式水口上部区域的水口堵塞。在浸入式水口保温方面，文献［6，38-39］提出了水口外层使用陶瓷纤维隔热，增加水口内层厚度、应用绝热材料等浸入式水口保温措施。

4.4 施加外场

随着制造业和装备水平的提高，越来越多的先进技术应用到钢铁生产。对于某些钢种，施加外场可能具有良好的应用效果。文献［17］报道了电磁搅拌可以减少钢水在浸入式水口上部的停滞时间，减少夹杂物在水口壁上的粘附。在浸入式水口下部区域也有电磁搅拌技术的应用，杨莹等人利用电磁装置使钢水在水口内部形成旋流，Al2O3等夹杂物向旋流中心移动，抑制了水口堵塞［40］。在基于双层电荷模型的理论基础上，将外置电源和连铸部件形成回路，塞棒接正极、水口接负极（图2c），可以减轻Al2O3在浸入式水口上的堵塞［21-23］。张新房等系统总结了脉冲电流调控金属熔体中的非金属夹杂物技术，对比了直流电、交流电、脉冲电流等外场对夹杂物行为的影响，指出脉冲电流去除夹杂物技术在抑制稀土钢等钢种的水口堵塞方面具有极佳的应用前景［41］。

5 结 论

5.1 浸入式水口结瘤物和堵塞物来源于钢中内生夹杂物、二次氧化生成物、钢水与耐材的反应产物。钢水中的活泼金属元素能够与水口材质发生反应，生成高熔点的复杂夹杂物，并由于界面能或电荷属性等驱动力的影响，在水口内壁表面上粘附。

5.2 通过改善水口材质及结构、减少夹杂物或改性夹杂物、调整局部钢水流动状态和施加电磁外场可以控制浸入式水口结瘤和堵塞。

5.3 电磁搅拌、电磁旋流、脉冲电场等方法是抑制浸入式水口结瘤和堵塞的新兴技术。