浸入式水口结瘤物、堵塞物的结构以及原因分析
发布日期： 2020-07-27 15:09:30 阅读量（485） 作者：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，而且堵塞位置不同对钢水的流场也有不同的影响。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、神经网络和电磁制动控制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。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;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。
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：
3CO(g)+2[Al]=Al2O(3s)+3[C]; (1)
4[Al]+3O(2g)=2Al2O3; (2)
2[Ca]+O(2g)=2CaO; (3)
CaO+6Al2O3=CaO·6Al2O3; (4)
CaO·6Al2O3+2CaO=3CaO·2Al2O3。 (5)
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：
2[Al]+4MgO(s)=MgO·Al2O(3s)+3[Mg]; (6)
2[Ce]+2Al2O3=2CeAlO3+2[Al]。 (7)
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)。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，钢水流速较小的滞留区，夹杂物更容易粘附在内壁上。
图1 夹杂物颗粒在水口内壁上粘附模型示意图
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。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，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
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