碳素鋼連鑄浸入式水口結(jié)瘤機(jī)理及改進(jìn)措施

田 勇

(云南濮耐昆鋼高溫材料有限公司)

1 前言

連鑄浸入式水口作為一種重要的功能耐火材料，在澆鋼過(guò)程中起到將鋼水從中間包引至結(jié)晶器中的作用，因其使用條件的特殊性，就要求其具有抗沖擊、耐侵蝕、熱震性好、機(jī)械強(qiáng)度高以及耐磨損的特性。目前，浸入式水口以鋁碳質(zhì)、鋁碳鋯質(zhì)復(fù)合水口為主，基本能滿足連鑄生產(chǎn)需求，但是在澆注過(guò)程中，水口結(jié)瘤或堵塞問(wèn)題一直是連鑄生產(chǎn)工藝中較難解決的問(wèn)題，水口結(jié)瘤或堵塞不僅會(huì)影響連鑄生產(chǎn)效率，降低水口使用壽命，還會(huì)影響到鑄坯質(zhì)量。因此，分析浸入式水口結(jié)瘤機(jī)理，改善結(jié)瘤現(xiàn)象具有非常重要的意義。

2 浸入式水口的作用

根據(jù)連鑄工藝的流量控制方式不同，中間包水口結(jié)構(gòu)可分為由塞棒、上水口、浸入式水口組成的塞棒控流系統(tǒng)以及由上水口、下水口、浸入式水口組成的滑板水口控流系統(tǒng)。作為連接中間包和結(jié)晶器之間的通道，浸入式水口具有防鋼水氧化、防飛濺、調(diào)節(jié)流動(dòng)狀態(tài)、防保護(hù)渣卷渣和促進(jìn)雜質(zhì)上浮等作用。對(duì)改善勞動(dòng)環(huán)境、提高鋼坯質(zhì)量和防止鋼坯表面缺陷等具有非常顯著的效果。

3 浸入式水口結(jié)瘤物分析

使用X射線衍射分析儀對(duì)玉溪新興鋼鐵有限公司板坯用浸入式水口結(jié)瘤物進(jìn)行物相分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖1、表1。

圖1 結(jié)瘤物X衍射圖

從圖1、表1可以看出，結(jié)瘤物中主要由Fe，Al203，Mg2(Si04) 組成，其中鐵為23 %，氧化鋁50 %，鎂橄欖石27 %。

表1 結(jié)瘤物物相組成

4 結(jié)瘤原因分析

根據(jù)結(jié)瘤的相組成，可以看出結(jié)瘤物主要由Al203和Mg2(Si04) 組成。

4.1 氧化鋁(Al203) 夾雜物的形成

近年來(lái)，通過(guò)國(guó)內(nèi)外對(duì)浸入式水口結(jié)瘤的機(jī)理研究表明，水口結(jié)瘤有三個(gè)階段。第一階段，Al203形成顆粒;第二階段，形成的Al203顆粒向水口內(nèi)壁遷移;第三階段，Al203顆粒粘附在水口內(nèi)壁相互燒結(jié)不斷生長(zhǎng)[1]。

4.1.1 鋼水與浸入式水口耐火材料反應(yīng)生成Al203

鋁碳質(zhì)水口中的Si02、C及K20、Na20等堿金屬氧化物易與流過(guò)水口中的鋼水發(fā)生反應(yīng)，總反應(yīng)如下[2-3]:

3Si02(s) +3C(s) +4[Al]=2(Al203)(s) +3[Si]+3[C]

從以上反應(yīng)可以看出，有Al203生成并粘附在水口內(nèi)壁上，水口內(nèi)壁表面形成一層較薄的Al203夾雜，作為水口堵塞的初始層，導(dǎo)致水口內(nèi)壁不光滑，反應(yīng)形成的Al203夾雜較薄，不是水口結(jié)瘤的主要原因，但它為鋼水中的氧化鋁粘附提供了基礎(chǔ)。

4.1.2 鋼水中的Al203 夾雜

玉鋼板坯鋼種主要為Q195、Q235，在轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中，加入一定量廢鋼后，為使鋼水溫度達(dá)到工藝要求，使用氧槍吹氧對(duì)鋼水進(jìn)行升溫，導(dǎo)致鋼液中氧含量偏高。鋁脫氧能力強(qiáng)且價(jià)格較低，是一種較理想的脫氧劑，被廣泛應(yīng)用于鋼廠脫氧。在轉(zhuǎn)爐出鋼后，將鋁線添加到鋼水中，以置換鋼水中的氧氣，從而產(chǎn)生懸浮在鋼水中的固體Al203夾雜物。

4.2 Al203 夾雜物的粘附

當(dāng)鋼水流經(jīng)浸入式水口時(shí)，由于鋼液與Al203顆粒不浸潤(rùn)，Al203顆粒間趨于相互團(tuán)聚，水口內(nèi)壁的耐火材料與鋼水發(fā)生反應(yīng)，形成一層致密的Al203夾雜物，鋼水中的Al203更易于沉積在形成夾雜物的內(nèi)壁上。K.Ventura等[4]研究發(fā)現(xiàn)，10 μm的兩個(gè)Al203顆粒只需0.03 s就可以結(jié)合為具有一定強(qiáng)度的顆粒團(tuán)。鋼液中懸浮的固體Al203夾雜不斷粘附在水口內(nèi)壁上，水口內(nèi)壁變得粗糙，鋼水中的各個(gè)質(zhì)點(diǎn)相互干擾，運(yùn)動(dòng)方向雜亂無(wú)章，存在大量橫向運(yùn)動(dòng)，加速浸入式水口結(jié)瘤和堵塞。

浸入式水口的內(nèi)徑繼續(xù)收縮，流過(guò)水口的鋼水量減少，進(jìn)而導(dǎo)致鋼水在中間包中的停留時(shí)間延長(zhǎng)，從而加劇了鋼水溫度的下降，由于Al203熔點(diǎn)較高，它會(huì)不斷沉淀并粘附在水口的內(nèi)壁上，最終形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。研究表明[5]，網(wǎng)狀氧化鋁是耐火材料中Si02還原為溶解在鋼水中Si0氣體的結(jié)果。

5 鎂橄欖石(Mg2(Si04)) 夾雜物的形成

硅鐵作為一種合金元素添加劑，廣泛應(yīng)用于多種鋼材的制備中。硅和氧容易發(fā)生反應(yīng)生成Si02，在生成Si02的同時(shí)，會(huì)放出大量的熱。所以，硅鐵在煉鋼時(shí)不僅可作為脫氧劑，也可以提高鋼水溫度。

在轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中，加入的FeSi、MnSi等合金與鋼水中的氧發(fā)生反應(yīng)生成Si02，除此之外，耐火材料中的硅微粉也會(huì)和鋼液中的氧生成Si02，生成的Si02主要以固體微粒的形式存在于鋼水中，鋼水在經(jīng)過(guò)鋼包、中間包時(shí)，其中的Si02與耐火材料中的Mg0在高溫條件下發(fā)生反應(yīng)生成Mg2(Si04)，反應(yīng)方程式如下[6]:

Si02+2Mg0=Mg2(Si04)

鋼液在流過(guò)浸入式水口時(shí)，其中的Mg2(Si04)連續(xù)沉淀并粘附在浸入式水口的內(nèi)壁上，這與產(chǎn)生的Al203夾雜物一起導(dǎo)致浸入式水口被堵塞。

6 水口結(jié)瘤的改進(jìn)措施

為改變水口結(jié)瘤現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究，主要包括優(yōu)化水口內(nèi)部結(jié)構(gòu)、提高鋼水純度、改進(jìn)水口材質(zhì)等措施。

6.1 優(yōu)化水口內(nèi)部結(jié)構(gòu)

水口內(nèi)壁粗糙化引起鋼水流動(dòng)狀態(tài)的變化，容易給水口內(nèi)壁帶來(lái)夾雜物。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量保持水口內(nèi)壁平滑。對(duì)水口入口、出口進(jìn)行優(yōu)化，避免鋼液在流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生回旋區(qū)。NobuyoshiHiroki等[7]通過(guò)設(shè)計(jì)雙階梯式水口內(nèi)壁可降低Al203夾雜在水口內(nèi)壁的粘附。

玉鋼連鑄水口結(jié)瘤通常發(fā)生在開(kāi)澆時(shí)，其原因在于，在開(kāi)澆時(shí)，由于水口內(nèi)壁溫度較低，鋼水流過(guò)浸入式水口時(shí)產(chǎn)生巨大溫降，導(dǎo)致鋼液中的Al203迅速析出，粘附在水口內(nèi)壁上。新日鐵通過(guò)在水口內(nèi)壁上安裝芯板，在開(kāi)澆時(shí)通電對(duì)水口內(nèi)壁加熱，避免鋼液中的Al203夾雜因溫降而析出，從而緩解開(kāi)澆時(shí)結(jié)瘤情況[8]。

6.2 提高鋼液純度

鋼液純凈度差是導(dǎo)致水口結(jié)瘤的主要原因，在冶煉過(guò)程中，可以通過(guò)加入適量的Ca-Si線用于脫氧，減少鋁的加入量，將Al203夾雜轉(zhuǎn)化為低熔點(diǎn)的物質(zhì)[9]，緩解水口堵塞現(xiàn)象。伴隨著適當(dāng)?shù)臍鍤鈹嚢瑁兄阡撘褐械膴A雜物上浮清除，從而減少水口堵塞。

6.3 改進(jìn)水口材質(zhì)

水口材質(zhì)改進(jìn)主要包括兩方面，一方面是利用材料與鋼水潤(rùn)濕性較差的特性，從而阻止其與鋼液中的氧化鋁發(fā)生反應(yīng);另一方面是利用材料與接觸水口內(nèi)壁的固態(tài)夾雜物反應(yīng)生成低熔點(diǎn)物質(zhì)的特點(diǎn)進(jìn)行去除。

6.3.1 鋁碳質(zhì)水口的改進(jìn)

通過(guò)在鋁碳質(zhì)水口中加入部分添加物來(lái)提高水口的抗附著能力，日本[10]研究了在鋁碳質(zhì)水口中加入BN、ZrB2等添加物作為抗附著材料。Nobuo Miyagawa等[11]研究了在鋁碳質(zhì)材料中加入Na20的礦物，在使用時(shí)耐材中的剛玉相在工作面上形成一層玻璃膜，緩解了Al203夾雜的附著。

6.3.2 氧化物-Ca0-C類材質(zhì)

氧化物-Ca0-C類材質(zhì)能與Al203反應(yīng)生成低熔點(diǎn)物質(zhì)，此類材料主要有[12-15]:Zr02-Ca0-C、Zr02-Ca0-C-Si02、Mg0-Ca0-C、Mg0-Ca0-Ti02-C等。

6.3.3 非氧化物復(fù)合類材質(zhì)

由于非氧化物與鋼液不易浸潤(rùn)，開(kāi)發(fā)了如BN、B4C、Si3N4、SiC、ZrB2、AlN和Si3N4-BN-C、Si3N4-C等[16]。復(fù)合水口使用性能較好，可有效降低Al203粘附，但由于工藝復(fù)雜，未得到廣泛使用。

6.3.4 無(wú)碳無(wú)硅類材質(zhì)

現(xiàn)今，Al203-Mg0和Al203-Si02構(gòu)成了無(wú)碳材料的兩個(gè)主要系列，主要作用是避免發(fā)生碳熱還原生成Al203，讓水口內(nèi)壁保持光滑。張海寧等[17]應(yīng)用了一層無(wú)碳且高致密的防粘結(jié)層在水口內(nèi)壁表面，極大地提高了水口防堵塞的特性。

7 結(jié)論

(1) 玉溪新興鋼鐵有限公司板坯用浸入式水口的結(jié)瘤物主要由Fe，Al203，Mg2(Si04) 組成，其中Al203夾雜物占比最大，在水口內(nèi)壁上形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

(2) 結(jié)瘤現(xiàn)像通常發(fā)生在開(kāi)澆時(shí)，溫降是導(dǎo)致結(jié)瘤開(kāi)始的主要原因。

(3) 通過(guò)優(yōu)化水口結(jié)構(gòu)，增加鋼水純度，改良水口材質(zhì)等措施可有效緩解水口結(jié)瘤情況。