利用外加电流抑制浸入式水口堵塞的研究进展

孙亚东 杜传明 袁 磊 于景坤

东北大学冶金学院 辽宁沈阳 110819

浸入式水口是连接中间包与结晶器的重要功能性耐火材料，对于避免钢液二次氧化，防止结晶器内卷渣，减少铸坯表面缺陷具有重要的作用［1-3］。在连铸过程中，由于夹杂物在水口内壁的附着和堆积，常常会造成水口结瘤和堵塞，致使连铸中断，生产效率降低。另外，附着在水口内壁上的堵塞物不但会改变钢液在结晶器内的流场，引起结晶器液面波动和卷渣，而且如果夹杂物脱落，还会在钢中形成大型夹杂物，显著降低铸坯质量［4-5］。因此，如何控制浸入式水口的结瘤和堵塞是目前连铸生产过程中亟待解决的关键问题之一。

本文中分析了浸入式水口结瘤和堵塞的产生机制和目前常用的应对措施，基于外加电流对钢液中夹杂物迁移的影响，分析了电流分离熔体中夹杂物的原理，介绍了利用外加电流抑制水口结瘤和堵塞的新方法，并讨论了其应用前景和未来发展方向。

1 水口堵塞机制及预防措施

为了有效解决浸入式水口的结瘤和堵塞问题，掌握其形成过程和机制至关重要。为此，国内外学者对此进行了大量研究，获得了诸多研究成果［6-8］。浸入式水口堵塞过程通常分为两个阶段：第一阶段为夹杂物向水口内壁的迁移，第二阶段是夹杂物在水口内壁的附着。关于夹杂物的附着行为，认为夹杂物能否在水口壁面上附着主要取决于夹杂物颗粒间附着力与脱附力的大小［9-10］。由计算可知，球形颗粒发生接触后会产生较大的附着力，使其相互聚集。颗粒进一步聚集形成稳定的集群便附着在水口内壁结瘤，造成水口的堵塞。实际上，位于水口内表面层流区的夹杂物颗粒是处于静止状态的，钢液中其他夹杂物颗粒与这些颗粒接触时会被吸附。而处于湍流区的夹杂物随钢液流动，并在惯性力的作用下迁移进入层流区并被吸附在水口内壁［11］。水口结瘤是一个涉及热力学和动力学的复杂过程。

基于对水口结瘤和堵塞机制的研究结果，冶金工作者提出了抑制水口堵塞的诸多方法。主要包括：1）提高钢液洁净度，减少夹杂物数量［12-13］，例如，控制脱氧合金铝的加入量，吹气搅拌等；2）提高钢液浇注温度［14］，改善其流动性，避免夹杂物在水口内壁的附着；3）选取合适的水口材质［15］，增大耐火材料与钢液之间的润湿角，抑制钢液在水口内黏附；4）吹氩气形成气柱流，保护水口［16］；5）采取无氧保护浇注［9］，防止钢液二次氧化的发生，减少夹杂物形成。采用上述措施有效地抑制了水口的结瘤和堵塞，但仍不能彻底解决水口堵塞问题。

一般认为，钢液中夹杂物向水口内壁的迁移和附着是导致水口堵塞的主要原因［17-18］，因此，如果能有效调控钢液中夹杂物向水口内壁的运动，则可以抑制水口的结瘤和堵塞。近年来，随着人们对钢中夹杂物特性的了解和研究的深入，通过电流控制钢中夹杂物的研究得到越来越多的关注，并且已成为一种控制钢中夹杂物的有力手段。因此，研究和总结利用外加电流分离钢中夹杂物及其机制对于开发抑制水口堵塞的新技术具有重要意义。

2 夹杂物迁移的电泳理论

最近的一些研究表明，当对金属熔体施加电流时，熔体中的非金属夹杂物能够发生运动和迁移。有学者认为，金属熔体中的夹杂物带有电荷，在电场作用下会产生类似于胶体颗粒的电泳现象，并且利用该现象可实现夹杂物的分离［19］。由于氧化物对电子的束缚能力比液态金属的小［20］，因此当两者发生相互接触时，氧化物中的部分自由电子将会转移到液态金属中，使氧化物表面带有等量的正电荷，导致带电的夹杂物颗粒在电场作用下向着与其电性相反的电极移动。杜慧玲等［21］发现在液态金属中半导体氧化物表面带有正电荷，感应电动势法也确认了两相界面的带电现象，Al2O3在液态金属中带有正电荷，由Al2O3提供的过量电子在界面处形成了扩散双电层。Kim等［22］将两个电极板插入液态金属锡中并施加高达12 000 V的直流电，研究了金属液中悬浮的金属氧化物（SnO2，WO3和PbO）颗粒的运动行为。结果表明，氧化物颗粒会聚集附着在负极，而在正极区域很难发现氧化物颗粒。该结果也证实了金属氧化物带有正电荷，通过外加电场可以分离金属熔体中的氧化物颗粒。此外，升高电压能提高氧化物的分离效率。

张令等［23］采用上下通电的方式对坩埚中的钢液施加直流电和交流电，研究了Al2O3夹杂物的迁移行为。结果表明，通电处理后Al2O3夹杂物聚集在负极区域；与未通电的钢样对比可知，通电处理后钢样内部夹杂物数量大幅减少。另外，在电脉冲（1.0×103A·m-2、5 000 Hz）作用下，钢液中的微小夹杂物（尺寸为2～5μm）会发生明显的迁移，氧化物夹杂向负极迁移，非氧化物夹杂（如MnS和TiN）则向正极迁移［24］。由此可见，钢液中氧化物夹杂颗粒带有正电荷，非氧化物夹杂颗粒带有负电荷。根据带电特性，带异种电荷的夹杂物在电场作用下会分别向两极迁移。

钢液中的夹杂物一旦带有电荷，夹杂物将会在电场力的作用下发生定向迁移。因此，通过电流对夹杂物的调控作用，可以大幅度降低钢中夹杂物的数量。利用此原理，如果在钢液和水口间施加电流，那么就会控制夹杂物在水口内壁的迁移和附着，进而有效抑制水口堵塞。

3 外加电流对抑制水口堵塞的影响

基于电流作用下夹杂物的迁移特性，Dai等［25］和孙勇等［26］将水口试样棒和石墨棒作为电极平行插入钢液中，通入不同强度的电流，观察电极附着层厚度的变化，并且对电极附着物的成分进行了分析。图1为电极附着层厚度与电流强度的关系。未通电时，正负电极的附着层厚度趋于一致。随着电流的增加，负极附着夹杂物的厚度显著增加，正极的逐渐减小；当电流强度为5 A左右时，正极的附着厚度降低了90%。经过XRD分析，负极的附着物主要为Al2O3，说明Al2O3夹杂物带有正电荷。因此，在水口处通入电流可阻止夹杂物向水口迁移和聚集，防止水口堵塞。

图1 电流强度对电极附着层厚度的影响

Masayuki等［27］将与水口同材质的铝碳棒插入到铝镇静钢液中，将电流为5 A的直流电源两极分别与棒和钢液相连，考察铝碳棒上夹杂物的附着情况。与未通电时相比，若铝碳棒与正极相连，附着层厚度增加了9%，而与负极相连，附着层厚度减少了33%。

冯士超等［28］通过在浸入式水口和中间包钢水间通入直流电的方法抑制水口结瘤和堵塞，此时Al2O3-C浸入式水口与负极相连接。图2为通电和未通电处理时的水口内壁形貌。未通电流时，水口内壁存在很厚的夹杂物附着层。通电流后，水口内壁的附着层变薄，当电流强度为100 A时效果显著。这些试验结果与孙勇等［26］的完全相反，但是可以确认在电流作用下夹杂物能够发生迁移，利用该现象能够改善水口内壁夹杂物的结瘤和堵塞。

图2 通电流和未通电流时的水口厚度变化

依据摩擦起电理论，两种不同的物质相互摩擦时，两者会分别带有不同类型的电荷。此外，固液两相对电子的亲和力不同，当两者进行摩擦时会发生自由电子的迁移，从而在固液两相界面形成双电子层［29］。于景坤等［30］和杨鑫等［31］认为，钢液快速流经水口时，由于两者发生剧烈摩擦会使水口的内壁和钢液带有不同的电荷。现场工业试验亦证实了连铸过程中浸入式水口带有负电荷，并且随着拉速的增加所产生的电流强度增大。根据双电层理论，非金属夹杂物对电子的束缚能力较小，因此钢液中的Al2O3易失去电子带有正电荷。由于水口和Al2O3夹杂物带有相反电荷，Al2O3夹杂物会在静电力的作用下，向水口的内表面移动，形成Al2O3附着层，容易造成水口的结瘤和堵塞。

减少水口内壁电荷量或者降低电场强度，削弱夹杂物迁移的驱动力是改善水口堵塞的重要途经。例如，将水口接地将多余的电荷导入大地，或者施加相反的电场，都可以减少夹杂物的附着，抑制水口的结瘤和堵塞。图3为未通电流和通电流时的水口结瘤和堵塞状况［32］。通电流后，水口堵塞得到明显改善，水口内壁表面光滑，附着的夹杂物较少，可以提高水口的使用效率。

图3 正常处理和经过电流处理时的水口堵塞状况

Tian等［33］研究了施加脉冲电流对连铸过程中水口内壁形貌和附着层成分的影响，分析了铸坯中夹杂物的尺寸变化。图4为使用不同处理方法获得的水口的横截面。未通脉冲电流时，水口腐蚀严重，水口内壁较为粗糙。图5示出了有无通电时水口内壁的附着夹杂物形态［34-35］。附着物主要含有Al、Fe和O元素。在未通电流的水口中，Al2O3夹杂物的含量较高。通脉冲电流后，由于Al2O3夹杂物发生了迁移，水口处附着的夹杂物数量大幅度降低，说明脉冲电流能够有效抑制夹杂物的附着。

图4 正常处理和通电处理时水口的宏观变化

Tian等［36］认为水口的侵蚀过程是由炉渣向水口内部浸透，并与水口组分反应两个步骤组成。在水口与钢液间施加稳定正电场后，由炉渣解离出的离子会在电场的作用下做定向迁移。由于水口侧带正电，因此，O2-会被吸引到水口一侧，而Ca2+则会被水口排斥远离水口。但是，由于K+和Na+碱性离子与水口之间的渗透和反应能力强于电荷的排斥力，因而会向水口侧迁移。同时，渣中的C也会渗透到水口中。水口在使用过程中，由于水口内壁的脱碳和不断溶解，形成了含有孔洞和缝隙的粗糙层。当施加脉冲电流时，由于电场斥力的作用，夹杂物难以迁移靠近水口壁面的粗糙层，而钢液则很容易在粗糙层黏结，从而导致水口内壁导电能力增强，因此，会进一步抑制夹杂物在水口内壁的附着。

4 结语

为了实现连铸的高效运转，开发出一种从根本上解决水口堵塞问题的新技术变得十分重要。钢液中夹杂物的附着和聚集是造成水口结瘤和堵塞的主要原因。当对钢液施加电流时，非金属夹杂物会发生运动和定向迁移，能够有效降低夹杂物的含量，提高钢液洁净度。通过在水口和钢液间施加电场可以大幅度降低水口内壁附着的夹杂物数量，显著抑制了水口的结瘤和堵塞，提高了水口的使用寿命。关于其作用机制尚需在以下几个方面做进一步的研究和探讨。

（1）为了获得夹杂物的迁移轨迹、速度、时间等参数，有必要建立电流作用下夹杂物动力学的数学模型。目前比较流行的数学模型为多尺度夹杂物数量守恒模型、夹杂物分形长大模型等。但是由于钢液中的夹杂物涉及到多种物理化学反应，目前现存的模型并不能准确分析出夹杂物的运动行为，需要对夹杂物在电流作用下的迁移进行物理模拟。

（2）为了降低成本和提高生产效率，有必要通过更深入的研究来确定最佳的电流参数，更高效地抑制水口的结瘤和堵塞。

（3）钢液中带电夹杂物颗粒之间存在静电力，会影响各自的运动行为。若在外加电流作用下，计算分析它们之间的作用力对控制夹杂物的迁移和水口堵塞具有重要的意义。