外加电场对连铸用浸入式水口防结瘤的影响研究

摘要：本文通过对水口材料结瘤产生的原因和形成过程进行分析，进一步总结了水口防结瘤的方法，并重点论述了外加电场对水口防结瘤产生的影响。虽然在外加电场对水口防结瘤实验的过程中取得了明显效果，但是实验过程以及参数等设计仍存在较为显著的问题，以期通过本文论述为相关研究提供参考。

关键词：连铸；水口材料；结瘤；外加电场

中图分类号：TF777文献标志码：ADOI编码：10.3969/j.issn.1674-4977.2025.01.062

基金项目：辽宁省市场监督管理局科技计划资助项目（2022ZC001）：外加电场作用下连铸水口类耐火材料产品质量及其侵蚀机理的研究。

浸入式水口是在钢材连铸技术中应用最为广泛的耐火材料，其主要作用是防止钢液在连铸的过程中发生二次氧化，从而减少铸坯表面出现过多的缺陷问题。水口结瘤是导致水口堵塞最重要的原因之一，如果水口材料中出现大量的结瘤堵塞问题，会导致连铸技术在操作过程中出现不稳定，最后严重影响铸坯质量，出现连铸中断事故。大量的研究数据表明，利用外加电场对水口内壁的夹杂物进行作用，不仅可以控制对钢液中夹杂物的迁移，还能进一步抑制水口材料出现的堵塞情况，对水口结瘤情况进行有效改善，更好地提升连铸技术的生产效率，提高钢材生产的质量水平。

1水口结瘤产生的原因及过程

1.1产生原因

对于浸入式水口材料而言，水口堵塞主要分为结瘤和挂渣两种，水口结瘤主要发生在内孔壁，水口挂渣主要集中在水口的外侧，成分与堵塞物相同。水口结瘤物主要是脱氧产物、钢液中存在的杂质以及较为复杂的氧化物等。在钢液连铸的过程中，受钢液温度、成分以及钢液浇铸的时间等因素的影响，在水口内壁会出现不同程度的结瘤和堵塞。同时，高熔点脱氧产物以及钢液温度的不断变化都可能在水口内壁形成夹杂物，这些夹杂物就是导致水口结瘤的主要原因。

1.2形成过程

水口结瘤的形成过程主要分为三个环节。首先，水口结瘤需要的必要条件就是，钢液中存在的二次氧化物以及脱氧产物等夹杂物，这些夹杂物的存在是导致水口结瘤堵塞的主要物质。其次，随着钢液的不断浇铸流动，钢液中存在的这些夹杂物会随着钢液的流动在水口材料的内壁发生涌动并与水口材料进行充分接触，促使水口结瘤的进一步发生。最后，这些夹杂物颗粒会随着聚集数量的逐渐增多，不断附着并停留在水口耐火材料的表面，同时，随着颗粒物的彼此烧结形成网络，在水口内壁表面形成结瘤。通过以上对水口结瘤形成过程的论述，我们发现钢液中夹杂物的流动以及附着是水口结瘤形成的关键环节。

2防结瘤的方法及存在的问题

防止浸入式水口材料出现堵塞是很多钢材生产企业面临的主要难题之一，为了更好地解决类似问题，我们需要针对在水口材料表面出现的不同结瘤现象采取不同的方法，在一定程度上更好地缓解浸入式水口材料的结瘤堵塞问题。

2.1施加物理场

施加物理场主要是采用水口吹氩以及施压外加电场、电磁场等方式对水口结瘤的形成过程进行干预，从而有效降低水口结瘤的复杂程度，对水口堵塞问题进行改善。水口吹氩主要是指在水口内部施加氩气，当氩气形成一股气柱流时，可以在水口的内壁形成氩气膜，进一步提高钢液在水口内壁的流动性，防止夹杂物的沉积与附着，从而可以更好地保护水口，减少结瘤的产生。施加外电场、电磁场主要是指，在外电场电流以及电磁场的作用下，钢液中的夹杂物会随着外加电场的作用，进行特定方向的迁徙移动，同样降低了夹杂物停留在水口内壁面的概率，从而防止结瘤的产生。

2.2创新浸入式水口的结构

改善浸入式水口内部结构并伴随剧烈的搅动，可以有效降低水口结瘤的概率。优化水口内部的结构，我们可以采用抛物线式底部水口、阶梯水口等结构，这种水口结构的创新不仅可以使水口内部更加流畅，还能在水口内孔和出口孔使钢液产生旋涡，提高钢液中夹杂物的流动性，更好地促进夹杂物的流动和迁移，对改善水口结瘤有一定的效果，但是在实际应用的过程中，仍存在很多技术问题需要解决。

2.3改善浸入式水口防堵塞材料

优化水口内壁的防堵材料是基于材料的角度来进一步减少水口结瘤现象的发生概率。一般在实验中，我们主要采用无碳的尖晶石质、刚玉质以及CaTiO3质、Al2O3-SiO2质等材料，进一步改变水口内壁的光滑度，降低水口内壁与夹杂物的反应程度，从而有效促进钢液中夹杂物的流动性，改善水口结瘤以及堵塞的现象。

3外加电场对连铸用浸入式水口防结瘤影响

外加电场一般是指在一个特定区域内由外部电荷或电场源创建的电场。我们将外加电场应用在连铸用浸入式水口防结瘤的过程中，可以有效改善水口堵塞等情况。

3.1施加反向的外加电场

研究表明，在浇铸时，浸入式水口自身存在相对稳定的电场。同时，浇铸速度与电场强度是互相影响并呈现正向相关关系，田晨等在实验的过程中发现，在浸入式水口材料的内壁表面施加反向的电场，不仅对原有壁面稳定电场产生影响，甚至抵消电场作用，还能影响到浇铸钢液中的夹杂物，使得与带电夹杂物本身形成相互排斥的力，更好地对水口材料表面的夹杂物进行吸附，从而减少水口结瘤情况的发生。

在水口材料的内部埋上外加电场使用的金属钼导线，用耐火棉等材料进行密封，同时将导线外部延伸至远处连接直流电源，在浇铸的过程中，通过对浸入式水口施加大小在5A左右稳定的电流对连铸用浸入式水口材料进行作用后，对水口内壁的宏观形貌以及水口结瘤物微观形貌、水口结瘤挂渣成分进行分析后得出结论，夹杂物在水口内壁表面的烧结和黏附均有效得到了抑制，还可以有效防止水口材料内部出现挂渣物质脱落等现象。

在浸入式水口材料内部施加直流电后，对比原始浇铸方式，其水口材料的结瘤层厚度降低了20%以上，未反应层厚度均有所提升，最高提升30%。另外，在实验的过程中发现，通过外加电场的作用，在有效抑制水口结瘤以及夹杂物的生长过程中，降低了连铸用铸坯内部杂质物的数量和尺寸，在改善水口堵塞的同时，进一步提升了铸坯的品质。

3.2基于夹杂物迁移的电泳理论

依据相关文献可知，当外加电场直流电对金属类熔体进行作用时，非金属夹杂物在电场的作用下发生迁移运动，从而产生胶体颗粒的电泳现象，也被称为金属夹杂物迁移的电泳理论，这种理论在应用的过程中可以对夹杂物进行分离。因此，在解决连铸用浸入式水口材料结瘤堵塞等问题时，有学者也尝试利用电泳理论分离水口结瘤中的夹杂物，进而更好地抑制水口结瘤等情况的发生。

依据金属夹杂物迁移的电泳理论，有学者以水口材料的试样和石墨试样分别作为电极，观察通入不同强度电流，电极附着物内部成分及厚度的不同变化值。通过实验数据发现，通电前正负电极的附着层厚度一致，随着通电后电流强度的逐渐增加，正极的附着厚度降低了90%，这足以说明，在水口处通入电流，可以有效促进钢液中夹杂物的定向迁移，从而阻止夹杂物向水口处聚集和吸附，减少水口结瘤现象的发生，降低水口堵塞的概率。

3.3施加脉冲电流

脉冲电流一般是指以周期重复出现的电流或电压脉冲，它或是以同一方向出现，或是以正、负交替变换方向出现，脉动电流的强度变化程度很小。

对连铸用水口材料中施加脉冲电流作为外加电场时，通过对比施加脉冲电流前后，水口材料内部表面附着夹杂物的成分以及铸坯中夹杂物的尺寸变化，可以得出结论，在施加脉冲电流前，水口内壁表面受钢液中夹杂物的吸附等腐蚀较为严重，水口结瘤现象也十分明显，同时水口内壁的附着物主要含有铝、铁等金属元素。在施加脉冲电流后，钢液中的氧化物夹杂物随着脉冲电流的作用发生了迁移，大大降低了水口处的夹杂物数量，达到了抑制水口结瘤的作用。

利用脉冲电流外加电场对水口材料进行结瘤抑制的原理，主要是在脉冲电流的作用下，由于电场斥力的作用，夹杂物难以附着在水口内壁，而钢液容易在水口内壁附着，增加了水口内壁的导电能力，降低了氧化物夹杂物的附着能力，降低了夹杂物黏附水口内壁的数量，进而有效改善水口结瘤堵塞等现象。

4结论

为了进一步保证在连铸技术应用的高效、高质量运转，研究切实有效解决水口结瘤堵塞问题的相关技术显得迫在眉睫。本文通过对连铸用浸入式水口结瘤产生的原因及形成过程进行分析，简要阐述了防结瘤的相关方法，重点论述了外加电场对连铸用浸入式水口防结瘤的影响。在研究的过程中我们发现，钢液中的夹杂物附着在水口内壁表面是形成水口结瘤的重要原因。本文通过对水口施加外加电场得到以下三点结论。1）在水口内壁施加反向外加电场时，浇铸后的水口内壁表面挂渣厚度以及结瘤层厚度降低了20%～37%，水口原始层以及未反应层厚度均有所提升，最高提升30%。降低了连铸用铸坯内部的杂质物的数量和尺寸，改善了水口堵塞情况。2）随着通电后电流强度的逐渐增加，正极的附着厚度降低了90%，这足以说明，基于夹杂物迁移的电泳理论，可以有效促进钢液中夹杂物的定向迁移，阻止夹杂物向水口处聚集和吸附，减少水口结瘤现象的发生。3）在施加脉冲电流后，钢液中的氧化物夹杂物随着脉冲电流的作用发生了迁移，大大降低了水口处的夹杂物数量，达到了抑制水口结瘤的作用。

参考文献

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作者简介

陈文，男，1989年出生，高级工程师，研究方向为产品质量检测。

（编辑：于淼，收稿日期：2024-05-06）