浸入式水口结瘤机制及优化措施

在连铸工序中，浸入式水口位于中间包下方和结晶器上方，起钢液通道和调节钢液流动的作用。浸入式水口直接影响着钢液在结晶器内的流速和流场分布。在生产铝镇静钢、稀土钢、含钛钢等高品质钢种时，浸入式水口常发生结瘤、堵塞等现象。浸入式水口结瘤会影响钢液流速、降低生产效率，严重时堵塞水口；会造成结晶器内流场紊乱，影响夹杂物上浮，造成铸坯夹渣缺陷。水口结瘤是诸多冶金物理化学过程共同作用、相互影响的结果。

水口结瘤位置及结瘤物结构

生产铝脱氧钢时普遍会遇到水口结瘤问题。分析结瘤物分布情况发现，在内壁附着比较均匀，在出钢口处结瘤物组织松散，结瘤现象最显著。出钢口处截面和流向变化，引起钢液流场变化，可能产生涡流或滞流层，导致夹杂物易沉积。钢液中夹杂物与水口内壁表面反应生成新的夹杂物，在水口内壁形成结瘤。在水口中部直筒处，钢液流场稳定、流速较高，夹杂物不易聚集结瘤。

对堵塞水口的结瘤物成分和结构分析发现，水口结瘤物均为粉状夹杂物，普遍存在分层现象。第一层是钢水附着在水口内壁形成的金属层。第二层是耐材与夹杂物反应生成的密实结构纯Al2O3沉积层，呈网络状堆积，具有一定表面粗糙度，是结瘤物形成基础。第三层为松散聚集的块状或片状Al2O3颗粒。

夹杂物的结瘤机制

在钢液脱氧过程中，铝因成本低、脱氧能力强被广泛应用，生成的Al2O3夹杂物悬浮于钢液中，极易附着在水口内壁形成结瘤物。一般将基于Al2O3夹杂物的水口结瘤分为夹杂物形成、夹杂物运动和夹杂物附着等3个阶段。

Al2O3夹杂物的形成。钢液与含有石墨的水口耐材发生脱碳反应，也会在耐材接触面处发生一系列反应生成Al2O3。在脱碳反应和钢液冲刷共同作用下，水口内壁逐渐粗糙。反应生成的高熔点、高黏度夹杂物与水口内壁接触，附着在粗糙表面上，形成一层致密的沉积层。空气透过水口裂缝、接缝，钢液也会二次氧化生成少量Al2O3夹杂。水口下部出口处温度低，钢液通过后温度降低，也会促进Al2O3夹杂物析出附着在水口内壁上，形成结瘤。

Al2O3夹杂物的运动。研究水口内流场与夹杂物附着速率的关系发现，出水口上沿处有钢液回旋区，滑板底部有明显旋流区域，流场紊乱区域会促进夹杂物颗粒向水口内壁沉积附着。较高的湍流能量和表面流速会带更多、较小的夹杂物进入钢中。结瘤物会加重水口内部流场紊乱情况，引起水口内不对称射流，夹杂物附着于水口出口及滑板下方。

利用拉格朗日轨迹跟踪法同样发现，钢液以非对称状态通过水口，夹杂物颗粒多聚集在钢液回流区，附着在水口的进口和出口处。夹杂物颗粒较小、接触界面较粗糙、钢液流速较慢，均会促进结瘤物的形成与长大。水口内滞留区钢液流速较慢，夹杂物颗粒更易形成结瘤物。

在1500℃以上的高温钢液中，水口耐材与Al2O3夹杂物颗粒有荷电性。在静电场力作用下，Al2O3夹杂物颗粒向带负电的水口壁移动，沉积在铝碳材料上。水口壁耐材带电量与拉坯速度呈正比，夹杂物颗粒沉积速度随电场强度增大而加快。

Al2O3夹杂物的附着。钢液在1m/s的流速下，两个半径为2μm的夹杂物颗粒相互烧结，仅需不到0.03s，在水口颈部可生长到0.1μm，结合体的强度足以承受钢液流动的冲击应力。Al2O3颗粒能否附着由结合力和脱附力的相对大小决定。Al2O3颗粒的结合力主要由范德华力、表面张力及液桥力组成，其中液桥力产生的附着力远大于表面张力和范德华力。Al2O3颗粒团的脱附力包括浮力和钢液流动产生的应力。而Al2O3颗粒间结合力要远大于脱附力，因此Al2O3颗粒一旦结合团聚形成团簇，便很难解离。

减少水口结瘤措施

综合考虑结瘤物组分来源及形成原因，目前，减少水口结瘤的优化措施主要包括优化水口结构、改变材质、提高钢液洁净度以及施加外部电场。

优化水口结构。研究发现采用阶梯环状水口，在阶梯环束流作用下，阶梯环状式内腔水口内壁不会直接受钢液冲刷，可以在一定程度上减少Al2O3夹杂物附着。在实际生产中，在此基础上改进的双环状阶梯式水口效果更好。

优化吹氩结构、增加吹氩处理是减少水口结瘤最广泛的方法之一。研究表明，塞棒和水口同时吹气的双吹气结构在气流分布效果和稳定程度上要远好于单一吹气的结构，可以发挥更好的防结瘤作用。

优化水口材质。由于恶劣的工作环境，浸入式水口必须具备足够的力学强度，优良的抗热震性、抗侵蚀性、耐磨性等性能。优化水口材质是减少水口结瘤及堵塞的有效方式。铝碳-锆碳质复合浸入式水口有抗侵蚀性能，能够适应高速连铸需求。在浇铸铝镇静钢时，尖晶石质防堵塞浸入式水口能抑制Al2O3沉积，在浇铸深冲钢、硅钢和超低碳钢及不锈钢等中均取得良好的效果。

水口材质应选择与钢液润湿性差、反应性差、与夹杂物颗粒结合倾向差的材质，以及生成的夹杂物结合力弱或低熔点物质。在优化铝碳质材料时，利用β-Al2O3替代α-Al2O3，使用时析出一层玻璃膜，抑制Al2O3夹杂物颗粒附着。目前，对水口材质的优化均有成本高或降低水口耐用性等缺点，难以在实际生产中推广应用，且针对不同钢种不能只发展单一材质，应将防结瘤性能与其他性能综合考虑，研究多样化、复合化的材质，整体提高水口的使用性能。

提升钢液洁净度。降低钢液中Al2O3夹杂物含量可缓解水口结瘤，优化钢液流动性。在钢液中加入适量的Ca-Si线，Ca与Al2O3夹杂物结合生成低熔点的12CaO·7Al2O3。但钙处理过程需严格控制钙的加入量，以免生成更难以解决的(Ca，Mn)S，加重水口结瘤现象。

施加外部电场。通过电磁场控制钢液在水口内旋转，进而控制夹杂物运动，降低夹杂物沉积附着。分别对浸入式水口和塞棒接负极与正极，同时施加低密度脉冲电流，保持水口内稳定的流场，夹杂物附着得以控制，能够有效提高水口使用寿命及抗结瘤性能。对水口施加磁通量为0.08T的交变磁场，在电磁场作用下，钢液注流被强烈搅拌，可以有效减少Al2O3和CaS等高熔点夹杂物附着。对流场、温度场与旋流强度的关系分析发现，旋流速度与旋转磁场强度成正比，最大可形成3m/s的旋流，有效缓解水口结瘤及堵塞。在钢厂连铸过程加外电场，电源正极连接水口，电源负极连接整体塞棒，在连铸过程中全程通电。施加外电场的水口几乎未发生结瘤，明显好于未加电场的水口。

浸入式水口是连铸过程的核心控流元件，对连铸顺行和最终钢材品质具有重要影响。造成浸入式水口结瘤的原因是多方面耦合作用。为避免水口结瘤，需从提高钢液洁净度、优化水口结构和材质，减少夹杂物与水口内壁的反应与附着，同时采用施加外电场和水口吹氩来控制夹杂物的迁移。随着先进科技和装备水平提升，可着重研发多重复合水口材质及结构，充分发挥各种材料和结构的优势；研究不同钢种与不同耐火材料的摩擦荷电理论，完善外电场对钢液中夹杂物运动状态的控制。（中国冶金报）