碳素钢连铸浸入式水口结瘤机理及改进措施

田 勇

(云南濮耐昆钢高温材料有限公司)

1 前言

连铸浸入式水口作为一种重要的功能耐火材料，在浇钢过程中起到将钢水从中间包引至结晶器中的作用，因其使用条件的特殊性，就要求其具有抗冲击、耐侵蚀、热震性好、机械强度高以及耐磨损的特性。目前，浸入式水口以铝碳质、铝碳锆质复合水口为主，基本能满足连铸生产需求，但是在浇注过程中，水口结瘤或堵塞问题一直是连铸生产工艺中较难解决的问题，水口结瘤或堵塞不仅会影响连铸生产效率，降低水口使用寿命，还会影响到铸坯质量。因此，分析浸入式水口结瘤机理，改善结瘤现象具有非常重要的意义。

2 浸入式水口的作用

根据连铸工艺的流量控制方式不同，中间包水口结构可分为由塞棒、上水口、浸入式水口组成的塞棒控流系统以及由上水口、下水口、浸入式水口组成的滑板水口控流系统。作为连接中间包和结晶器之间的通道，浸入式水口具有防钢水氧化、防飞溅、调节流动状态、防保护渣卷渣和促进杂质上浮等作用。对改善劳动环境、提高钢坯质量和防止钢坯表面缺陷等具有非常显著的效果。

3 浸入式水口结瘤物分析

使用X射线衍射分析仪对玉溪新兴钢铁有限公司板坯用浸入式水口结瘤物进行物相分析，分析结果见图1、表1。

图1 结瘤物X衍射图

从图1、表1可以看出，结瘤物中主要由Fe，Al203，Mg2(Si04) 组成，其中铁为23 %，氧化铝50 %，镁橄榄石27 %。

表1 结瘤物物相组成

4 结瘤原因分析

根据结瘤的相组成，可以看出结瘤物主要由Al203和Mg2(Si04) 组成。

4.1 氧化铝(Al203) 夹杂物的形成

近年来，通过国内外对浸入式水口结瘤的机理研究表明，水口结瘤有三个阶段。第一阶段，Al203形成颗粒;第二阶段，形成的Al203颗粒向水口内壁迁移;第三阶段，Al203颗粒粘附在水口内壁相互烧结不断生长[1]。

4.1.1 钢水与浸入式水口耐火材料反应生成Al203

铝碳质水口中的Si02、C及K20、Na20等碱金属氧化物易与流过水口中的钢水发生反应，总反应如下[2-3]:

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

从以上反应可以看出，有Al203生成并粘附在水口内壁上，水口内壁表面形成一层较薄的Al203夹杂，作为水口堵塞的初始层，导致水口内壁不光滑，反应形成的Al203夹杂较薄，不是水口结瘤的主要原因，但它为钢水中的氧化铝粘附提供了基础。

4.1.2 钢水中的Al203 夹杂

玉钢板坯钢种主要为Q195、Q235，在转炉冶炼过程中，加入一定量废钢后，为使钢水温度达到工艺要求，使用氧枪吹氧对钢水进行升温，导致钢液中氧含量偏高。铝脱氧能力强且价格较低，是一种较理想的脱氧剂，被广泛应用于钢厂脱氧。在转炉出钢后，将铝线添加到钢水中，以置换钢水中的氧气，从而产生悬浮在钢水中的固体Al203夹杂物。

4.2 Al203 夹杂物的粘附

当钢水流经浸入式水口时，由于钢液与Al203颗粒不浸润，Al203颗粒间趋于相互团聚，水口内壁的耐火材料与钢水发生反应，形成一层致密的Al203夹杂物，钢水中的Al203更易于沉积在形成夹杂物的内壁上。K.Ventura等[4]研究发现，10 μm的两个Al203颗粒只需0.03 s就可以结合为具有一定强度的颗粒团。钢液中悬浮的固体Al203夹杂不断粘附在水口内壁上，水口内壁变得粗糙，钢水中的各个质点相互干扰，运动方向杂乱无章，存在大量横向运动，加速浸入式水口结瘤和堵塞。

浸入式水口的内径继续收缩，流过水口的钢水量减少，进而导致钢水在中间包中的停留时间延长，从而加剧了钢水温度的下降，由于Al203熔点较高，它会不断沉淀并粘附在水口的内壁上，最终形成网状结构。研究表明[5]，网状氧化铝是耐火材料中Si02还原为溶解在钢水中Si0气体的结果。

5 镁橄榄石(Mg2(Si04)) 夹杂物的形成

硅铁作为一种合金元素添加剂，广泛应用于多种钢材的制备中。硅和氧容易发生反应生成Si02，在生成Si02的同时，会放出大量的热。所以，硅铁在炼钢时不仅可作为脱氧剂，也可以提高钢水温度。

在转炉冶炼过程中，加入的FeSi、MnSi等合金与钢水中的氧发生反应生成Si02，除此之外，耐火材料中的硅微粉也会和钢液中的氧生成Si02，生成的Si02主要以固体微粒的形式存在于钢水中，钢水在经过钢包、中间包时，其中的Si02与耐火材料中的Mg0在高温条件下发生反应生成Mg2(Si04)，反应方程式如下[6]:

Si02+2Mg0=Mg2(Si04)

钢液在流过浸入式水口时，其中的Mg2(Si04)连续沉淀并粘附在浸入式水口的内壁上，这与产生的Al203夹杂物一起导致浸入式水口被堵塞。

6 水口结瘤的改进措施

为改变水口结瘤现状，国内外进行了大量的研究，主要包括优化水口内部结构、提高钢水纯度、改进水口材质等措施。

6.1 优化水口内部结构

水口内壁粗糙化引起钢水流动状态的变化，容易给水口内壁带来夹杂物。在设计时，应尽量保持水口内壁平滑。对水口入口、出口进行优化，避免钢液在流动时产生回旋区。NobuyoshiHiroki等[7]通过设计双阶梯式水口内壁可降低Al203夹杂在水口内壁的粘附。

玉钢连铸水口结瘤通常发生在开浇时，其原因在于，在开浇时，由于水口内壁温度较低，钢水流过浸入式水口时产生巨大温降，导致钢液中的Al203迅速析出，粘附在水口内壁上。新日铁通过在水口内壁上安装芯板，在开浇时通电对水口内壁加热，避免钢液中的Al203夹杂因温降而析出，从而缓解开浇时结瘤情况[8]。

6.2 提高钢液纯度

钢液纯净度差是导致水口结瘤的主要原因，在冶炼过程中，可以通过加入适量的Ca-Si线用于脱氧，减少铝的加入量，将Al203夹杂转化为低熔点的物质[9]，缓解水口堵塞现象。伴随着适当的氩气搅拌，有助于钢液中的夹杂物上浮清除，从而减少水口堵塞。

6.3 改进水口材质

水口材质改进主要包括两方面，一方面是利用材料与钢水润湿性较差的特性，从而阻止其与钢液中的氧化铝发生反应;另一方面是利用材料与接触水口内壁的固态夹杂物反应生成低熔点物质的特点进行去除。

6.3.1 铝碳质水口的改进

通过在铝碳质水口中加入部分添加物来提高水口的抗附着能力，日本[10]研究了在铝碳质水口中加入BN、ZrB2等添加物作为抗附着材料。Nobuo Miyagawa等[11]研究了在铝碳质材料中加入Na20的矿物，在使用时耐材中的刚玉相在工作面上形成一层玻璃膜，缓解了Al203夹杂的附着。

6.3.2 氧化物-Ca0-C类材质

氧化物-Ca0-C类材质能与Al203反应生成低熔点物质，此类材料主要有[12-15]:Zr02-Ca0-C、Zr02-Ca0-C-Si02、Mg0-Ca0-C、Mg0-Ca0-Ti02-C等。

6.3.3 非氧化物复合类材质

由于非氧化物与钢液不易浸润，开发了如BN、B4C、Si3N4、SiC、ZrB2、AlN和Si3N4-BN-C、Si3N4-C等[16]。复合水口使用性能较好，可有效降低Al203粘附，但由于工艺复杂，未得到广泛使用。

6.3.4 无碳无硅类材质

现今，Al203-Mg0和Al203-Si02构成了无碳材料的两个主要系列，主要作用是避免发生碳热还原生成Al203，让水口内壁保持光滑。张海宁等[17]应用了一层无碳且高致密的防粘结层在水口内壁表面，极大地提高了水口防堵塞的特性。

7 结论

(1) 玉溪新兴钢铁有限公司板坯用浸入式水口的结瘤物主要由Fe，Al203，Mg2(Si04) 组成，其中Al203夹杂物占比最大，在水口内壁上形成网状结构。

(2) 结瘤现像通常发生在开浇时，温降是导致结瘤开始的主要原因。

(3) 通过优化水口结构，增加钢水纯度，改良水口材质等措施可有效缓解水口结瘤情况。