外加電場(chǎng)對(duì)連鑄用浸入式水口防結(jié)瘤的影響研究

摘要：本文通過對(duì)水口材料結(jié)瘤產(chǎn)生的原因和形成過程進(jìn)行分析，進(jìn)一步總結(jié)了水口防結(jié)瘤的方法，并重點(diǎn)論述了外加電場(chǎng)對(duì)水口防結(jié)瘤產(chǎn)生的影響。雖然在外加電場(chǎng)對(duì)水口防結(jié)瘤實(shí)驗(yàn)的過程中取得了明顯效果，但是實(shí)驗(yàn)過程以及參數(shù)等設(shè)計(jì)仍存在較為顯著的問題，以期通過本文論述為相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：連鑄；水口材料；結(jié)瘤；外加電場(chǎng)

中圖分類號(hào)：TF777文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1674-4977.2025.01.062

基金項(xiàng)目：遼寧省市場(chǎng)監(jiān)督管理局科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2022ZC001）：外加電場(chǎng)作用下連鑄水口類耐火材料產(chǎn)品質(zhì)量及其侵蝕機(jī)理的研究。

浸入式水口是在鋼材連鑄技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的耐火材料，其主要作用是防止鋼液在連鑄的過程中發(fā)生二次氧化，從而減少鑄坯表面出現(xiàn)過多的缺陷問題。水口結(jié)瘤是導(dǎo)致水口堵塞最重要的原因之一，如果水口材料中出現(xiàn)大量的結(jié)瘤堵塞問題，會(huì)導(dǎo)致連鑄技術(shù)在操作過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定，最后嚴(yán)重影響鑄坯質(zhì)量，出現(xiàn)連鑄中斷事故。大量的研究數(shù)據(jù)表明，利用外加電場(chǎng)對(duì)水口內(nèi)壁的夾雜物進(jìn)行作用，不僅可以控制對(duì)鋼液中夾雜物的遷移，還能進(jìn)一步抑制水口材料出現(xiàn)的堵塞情況，對(duì)水口結(jié)瘤情況進(jìn)行有效改善，更好地提升連鑄技術(shù)的生產(chǎn)效率，提高鋼材生產(chǎn)的質(zhì)量水平。

1水口結(jié)瘤產(chǎn)生的原因及過程

1.1產(chǎn)生原因

對(duì)于浸入式水口材料而言，水口堵塞主要分為結(jié)瘤和掛渣兩種，水口結(jié)瘤主要發(fā)生在內(nèi)孔壁，水口掛渣主要集中在水口的外側(cè)，成分與堵塞物相同。水口結(jié)瘤物主要是脫氧產(chǎn)物、鋼液中存在的雜質(zhì)以及較為復(fù)雜的氧化物等。在鋼液連鑄的過程中，受鋼液溫度、成分以及鋼液澆鑄的時(shí)間等因素的影響，在水口內(nèi)壁會(huì)出現(xiàn)不同程度的結(jié)瘤和堵塞。同時(shí)，高熔點(diǎn)脫氧產(chǎn)物以及鋼液溫度的不斷變化都可能在水口內(nèi)壁形成夾雜物，這些夾雜物就是導(dǎo)致水口結(jié)瘤的主要原因。

1.2形成過程

水口結(jié)瘤的形成過程主要分為三個(gè)環(huán)節(jié)。首先，水口結(jié)瘤需要的必要條件就是，鋼液中存在的二次氧化物以及脫氧產(chǎn)物等夾雜物，這些夾雜物的存在是導(dǎo)致水口結(jié)瘤堵塞的主要物質(zhì)。其次，隨著鋼液的不斷澆鑄流動(dòng)，鋼液中存在的這些夾雜物會(huì)隨著鋼液的流動(dòng)在水口材料的內(nèi)壁發(fā)生涌動(dòng)并與水口材料進(jìn)行充分接觸，促使水口結(jié)瘤的進(jìn)一步發(fā)生。最后，這些夾雜物顆粒會(huì)隨著聚集數(shù)量的逐漸增多，不斷附著并停留在水口耐火材料的表面，同時(shí)，隨著顆粒物的彼此燒結(jié)形成網(wǎng)絡(luò)，在水口內(nèi)壁表面形成結(jié)瘤。通過以上對(duì)水口結(jié)瘤形成過程的論述，我們發(fā)現(xiàn)鋼液中夾雜物的流動(dòng)以及附著是水口結(jié)瘤形成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2防結(jié)瘤的方法及存在的問題

防止浸入式水口材料出現(xiàn)堵塞是很多鋼材生產(chǎn)企業(yè)面臨的主要難題之一，為了更好地解決類似問題，我們需要針對(duì)在水口材料表面出現(xiàn)的不同結(jié)瘤現(xiàn)象采取不同的方法，在一定程度上更好地緩解浸入式水口材料的結(jié)瘤堵塞問題。

2.1施加物理場(chǎng)

施加物理場(chǎng)主要是采用水口吹氬以及施壓外加電場(chǎng)、電磁場(chǎng)等方式對(duì)水口結(jié)瘤的形成過程進(jìn)行干預(yù)，從而有效降低水口結(jié)瘤的復(fù)雜程度，對(duì)水口堵塞問題進(jìn)行改善。水口吹氬主要是指在水口內(nèi)部施加氬氣，當(dāng)氬氣形成一股氣柱流時(shí)，可以在水口的內(nèi)壁形成氬氣膜，進(jìn)一步提高鋼液在水口內(nèi)壁的流動(dòng)性，防止夾雜物的沉積與附著，從而可以更好地保護(hù)水口，減少結(jié)瘤的產(chǎn)生。施加外電場(chǎng)、電磁場(chǎng)主要是指，在外電場(chǎng)電流以及電磁場(chǎng)的作用下，鋼液中的夾雜物會(huì)隨著外加電場(chǎng)的作用，進(jìn)行特定方向的遷徙移動(dòng)，同樣降低了夾雜物停留在水口內(nèi)壁面的概率，從而防止結(jié)瘤的產(chǎn)生。

2.2創(chuàng)新浸入式水口的結(jié)構(gòu)

改善浸入式水口內(nèi)部結(jié)構(gòu)并伴隨劇烈的攪動(dòng)，可以有效降低水口結(jié)瘤的概率。優(yōu)化水口內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，我們可以采用拋物線式底部水口、階梯水口等結(jié)構(gòu)，這種水口結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新不僅可以使水口內(nèi)部更加流暢，還能在水口內(nèi)孔和出口孔使鋼液產(chǎn)生旋渦，提高鋼液中夾雜物的流動(dòng)性，更好地促進(jìn)夾雜物的流動(dòng)和遷移，對(duì)改善水口結(jié)瘤有一定的效果，但是在實(shí)際應(yīng)用的過程中，仍存在很多技術(shù)問題需要解決。

2.3改善浸入式水口防堵塞材料

優(yōu)化水口內(nèi)壁的防堵材料是基于材料的角度來進(jìn)一步減少水口結(jié)瘤現(xiàn)象的發(fā)生概率。一般在實(shí)驗(yàn)中，我們主要采用無碳的尖晶石質(zhì)、剛玉質(zhì)以及CaTiO3質(zhì)、Al2O3-SiO2質(zhì)等材料，進(jìn)一步改變水口內(nèi)壁的光滑度，降低水口內(nèi)壁與夾雜物的反應(yīng)程度，從而有效促進(jìn)鋼液中夾雜物的流動(dòng)性，改善水口結(jié)瘤以及堵塞的現(xiàn)象。

3外加電場(chǎng)對(duì)連鑄用浸入式水口防結(jié)瘤影響

外加電場(chǎng)一般是指在一個(gè)特定區(qū)域內(nèi)由外部電荷或電場(chǎng)源創(chuàng)建的電場(chǎng)。我們將外加電場(chǎng)應(yīng)用在連鑄用浸入式水口防結(jié)瘤的過程中，可以有效改善水口堵塞等情況。

3.1施加反向的外加電場(chǎng)

研究表明，在澆鑄時(shí)，浸入式水口自身存在相對(duì)穩(wěn)定的電場(chǎng)。同時(shí)，澆鑄速度與電場(chǎng)強(qiáng)度是互相影響并呈現(xiàn)正向相關(guān)關(guān)系，田晨等在實(shí)驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)，在浸入式水口材料的內(nèi)壁表面施加反向的電場(chǎng)，不僅對(duì)原有壁面穩(wěn)定電場(chǎng)產(chǎn)生影響，甚至抵消電場(chǎng)作用，還能影響到澆鑄鋼液中的夾雜物，使得與帶電夾雜物本身形成相互排斥的力，更好地對(duì)水口材料表面的夾雜物進(jìn)行吸附，從而減少水口結(jié)瘤情況的發(fā)生。

在水口材料的內(nèi)部埋上外加電場(chǎng)使用的金屬鉬導(dǎo)線，用耐火棉等材料進(jìn)行密封，同時(shí)將導(dǎo)線外部延伸至遠(yuǎn)處連接直流電源，在澆鑄的過程中，通過對(duì)浸入式水口施加大小在5A左右穩(wěn)定的電流對(duì)連鑄用浸入式水口材料進(jìn)行作用后，對(duì)水口內(nèi)壁的宏觀形貌以及水口結(jié)瘤物微觀形貌、水口結(jié)瘤掛渣成分進(jìn)行分析后得出結(jié)論，夾雜物在水口內(nèi)壁表面的燒結(jié)和黏附均有效得到了抑制，還可以有效防止水口材料內(nèi)部出現(xiàn)掛渣物質(zhì)脫落等現(xiàn)象。

在浸入式水口材料內(nèi)部施加直流電后，對(duì)比原始澆鑄方式，其水口材料的結(jié)瘤層厚度降低了20%以上，未反應(yīng)層厚度均有所提升，最高提升30%。另外，在實(shí)驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)，通過外加電場(chǎng)的作用，在有效抑制水口結(jié)瘤以及夾雜物的生長(zhǎng)過程中，降低了連鑄用鑄坯內(nèi)部雜質(zhì)物的數(shù)量和尺寸，在改善水口堵塞的同時(shí)，進(jìn)一步提升了鑄坯的品質(zhì)。

3.2基于夾雜物遷移的電泳理論

依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，當(dāng)外加電場(chǎng)直流電對(duì)金屬類熔體進(jìn)行作用時(shí)，非金屬夾雜物在電場(chǎng)的作用下發(fā)生遷移運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生膠體顆粒的電泳現(xiàn)象，也被稱為金屬夾雜物遷移的電泳理論，這種理論在應(yīng)用的過程中可以對(duì)夾雜物進(jìn)行分離。因此，在解決連鑄用浸入式水口材料結(jié)瘤堵塞等問題時(shí)，有學(xué)者也嘗試?yán)秒娪纠碚摲蛛x水口結(jié)瘤中的夾雜物，進(jìn)而更好地抑制水口結(jié)瘤等情況的發(fā)生。

依據(jù)金屬夾雜物遷移的電泳理論，有學(xué)者以水口材料的試樣和石墨試樣分別作為電極，觀察通入不同強(qiáng)度電流，電極附著物內(nèi)部成分及厚度的不同變化值。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，通電前正負(fù)電極的附著層厚度一致，隨著通電后電流強(qiáng)度的逐漸增加，正極的附著厚度降低了90%，這足以說明，在水口處通入電流，可以有效促進(jìn)鋼液中夾雜物的定向遷移，從而阻止夾雜物向水口處聚集和吸附，減少水口結(jié)瘤現(xiàn)象的發(fā)生，降低水口堵塞的概率。

3.3施加脈沖電流

脈沖電流一般是指以周期重復(fù)出現(xiàn)的電流或電壓脈沖，它或是以同一方向出現(xiàn)，或是以正、負(fù)交替變換方向出現(xiàn)，脈動(dòng)電流的強(qiáng)度變化程度很小。

對(duì)連鑄用水口材料中施加脈沖電流作為外加電場(chǎng)時(shí)，通過對(duì)比施加脈沖電流前后，水口材料內(nèi)部表面附著夾雜物的成分以及鑄坯中夾雜物的尺寸變化，可以得出結(jié)論，在施加脈沖電流前，水口內(nèi)壁表面受鋼液中夾雜物的吸附等腐蝕較為嚴(yán)重，水口結(jié)瘤現(xiàn)象也十分明顯，同時(shí)水口內(nèi)壁的附著物主要含有鋁、鐵等金屬元素。在施加脈沖電流后，鋼液中的氧化物夾雜物隨著脈沖電流的作用發(fā)生了遷移，大大降低了水口處的夾雜物數(shù)量，達(dá)到了抑制水口結(jié)瘤的作用。

利用脈沖電流外加電場(chǎng)對(duì)水口材料進(jìn)行結(jié)瘤抑制的原理，主要是在脈沖電流的作用下，由于電場(chǎng)斥力的作用，夾雜物難以附著在水口內(nèi)壁，而鋼液容易在水口內(nèi)壁附著，增加了水口內(nèi)壁的導(dǎo)電能力，降低了氧化物夾雜物的附著能力，降低了夾雜物黏附水口內(nèi)壁的數(shù)量，進(jìn)而有效改善水口結(jié)瘤堵塞等現(xiàn)象。

4結(jié)論

為了進(jìn)一步保證在連鑄技術(shù)應(yīng)用的高效、高質(zhì)量運(yùn)轉(zhuǎn)，研究切實(shí)有效解決水口結(jié)瘤堵塞問題的相關(guān)技術(shù)顯得迫在眉睫。本文通過對(duì)連鑄用浸入式水口結(jié)瘤產(chǎn)生的原因及形成過程進(jìn)行分析，簡(jiǎn)要闡述了防結(jié)瘤的相關(guān)方法，重點(diǎn)論述了外加電場(chǎng)對(duì)連鑄用浸入式水口防結(jié)瘤的影響。在研究的過程中我們發(fā)現(xiàn)，鋼液中的夾雜物附著在水口內(nèi)壁表面是形成水口結(jié)瘤的重要原因。本文通過對(duì)水口施加外加電場(chǎng)得到以下三點(diǎn)結(jié)論。1）在水口內(nèi)壁施加反向外加電場(chǎng)時(shí)，澆鑄后的水口內(nèi)壁表面掛渣厚度以及結(jié)瘤層厚度降低了20%～37%，水口原始層以及未反應(yīng)層厚度均有所提升，最高提升30%。降低了連鑄用鑄坯內(nèi)部的雜質(zhì)物的數(shù)量和尺寸，改善了水口堵塞情況。2）隨著通電后電流強(qiáng)度的逐漸增加，正極的附著厚度降低了90%，這足以說明，基于夾雜物遷移的電泳理論，可以有效促進(jìn)鋼液中夾雜物的定向遷移，阻止夾雜物向水口處聚集和吸附，減少水口結(jié)瘤現(xiàn)象的發(fā)生。3）在施加脈沖電流后，鋼液中的氧化物夾雜物隨著脈沖電流的作用發(fā)生了遷移，大大降低了水口處的夾雜物數(shù)量，達(dá)到了抑制水口結(jié)瘤的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]田晨，翟曉毅，肖國(guó)華，等.外加電場(chǎng)對(duì)浸入式水口內(nèi)壁結(jié)瘤行為的影響研究[C]//中國(guó)金屬學(xué)會(huì).第十二屆中國(guó)鋼鐵年會(huì)論文集：2.煉鋼與連鑄.東北大學(xué)冶金學(xué)院；河鋼集團(tuán)邯鋼公司，2019：74-80.

[2]孫勇，馬北越，于景坤.施加電場(chǎng)對(duì)連鑄水口防堵塞性能的影響[J].連鑄，2008（6）：11-13.

[3]李紅霞，顧強(qiáng)，劉國(guó)齊，等.浸入式水口氧化鋁結(jié)瘤堵塞機(jī)制[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2024，52（2）：381-389.

[4]陳靜.外加電場(chǎng)誘導(dǎo)下石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的電學(xué)性能研究[D].鄭州：中原工學(xué)院，2023.

[5]鄭曉楠，胡煜，賴朝彬.稀土鋼連鑄過程水口結(jié)瘤的研究現(xiàn)狀[J].江西冶金，2022，42（4）：10-15.

作者簡(jiǎn)介

陳文，男，1989年出生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楫a(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)。

（編輯：于淼，收稿日期：2024-05-06）