摘要：本文通過對水口材料結(jié)瘤產(chǎn)生的原因和形成過程進行分析，進一步總結(jié)了水口防結(jié)瘤的方法，并重點論述了外加電場對水口防結(jié)瘤產(chǎn)生的影響。雖然在外加電場對水口防結(jié)瘤實驗的過程中取得了明顯效果，但是實驗過程以及參數(shù)等設(shè)計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

中圖分類號：TF777文獻標志碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1674-4977.2025.01.062

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

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，會導(dǎo)致連鑄技術(shù)在操作過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定，最后嚴重影響鑄坯質(zhì)量，出現(xiàn)連鑄中斷事故。大量的研究數(shù)據(jù)表明，利用外加電場對水口內(nèi)壁的夾雜物進行作用，不僅可以控制對鋼液中夾雜物的遷移，還能進一步抑制水口材料出現(xiàn)的堵塞情況，對水口結(jié)瘤情況進行有效改善，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間等因素的影響，在水口內(nèi)壁會出現(xiàn)不同程度的結(jié)瘤和堵塞。同時，高熔點脫氧產(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，鋼液中存在的這些夾雜物會隨著鋼液的流動在水口材料的內(nèi)壁發(fā)生涌動并與水口材料進行充分接觸，促使水口結(jié)瘤的進一步發(fā)生。最后，這些夾雜物顆粒會隨著聚集數(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，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

施加物理場主要是采用水口吹氬以及施壓外加電場、電磁場等方式對水口結(jié)瘤的形成過程進行干預(yù)，從而有效降低水口結(jié)瘤的復(fù)雜程度，對水口堵塞問題進行改善。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，可以在水口的內(nèi)壁形成氬氣膜，進一步提高鋼液在水口內(nèi)壁的流動性，防止夾雜物的沉積與附著，從而可以更好地保護水口，減少結(jié)瘤的產(chǎn)生。施加外電場、電磁場主要是指，在外電場電流以及電磁場的作用下，鋼液中的夾雜物會隨著外加電場的作用，進行特定方向的遷徙移動，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，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性，更好地促進夾雜物的流動和遷移，對改善水口結(jié)瘤有一定的效果，但是在實際應(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一步減少水口結(jié)瘤現(xiàn)象的發(fā)生概率。一般在實驗中，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，從而有效促進鋼液中夾雜物的流動性，改善水口結(jié)瘤以及堵塞的現(xiàn)象。

3外加電場對連鑄用浸入式水口防結(jié)瘤影響

外加電場一般是指在一個特定區(qū)域內(nèi)由外部電荷或電場源創(chuàng)建的電場。我們將外加電場應(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

研究表明，在澆鑄時，浸入式水口自身存在相對穩(wěn)定的電場。同時，澆鑄速度與電場強度是互相影響并呈現(xiàn)正向相關(guān)關(guān)系，田晨等在實驗的過程中發(fā)現(xiàn)，在浸入式水口材料的內(nèi)壁表面施加反向的電場，不僅對原有壁面穩(wěn)定電場產(chǎn)生影響，甚至抵消電場作用，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，更好地對水口材料表面的夾雜物進行吸附，從而減少水口結(jié)瘤情況的發(fā)生。

在水口材料的內(nèi)部埋上外加電場使用的金屬鉬導(dǎo)線，用耐火棉等材料進行密封，同時將導(dǎo)線外部延伸至遠處連接直流電源，在澆鑄的過程中，通過對浸入式水口施加大小在5A左右穩(wěn)定的電流對連鑄用浸入式水口材料進行作用后，對水口內(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，在實驗的過程中發(fā)現(xiàn)，通過外加電場的作用，在有效抑制水口結(jié)瘤以及夾雜物的生長過程中，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，進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)文獻可知，當(dāng)外加電場直流電對金屬類熔體進行作用時，非金屬夾雜物在電場的作用下發(fā)生遷移運動，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)用的過程中可以對夾雜物進行分離。因此，在解決連鑄用浸入式水口材料結(jié)瘤堵塞等問題時，有學(xué)者也嘗試利用電泳理論分離水口結(jié)瘤中的夾雜物，進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。通過實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，通電前正負電極的附著層厚度一致，隨著通電后電流強度的逐漸增加，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、負交替變換方向出現(xiàn)，脈動電流的強度變化程度很小。

對連鑄用水口材料中施加脈沖電流作為外加電場時，通過對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重，水口結(jié)瘤現(xiàn)象也十分明顯，同時水口內(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，達到了抑制水口結(jié)瘤的作用。

利用脈沖電流外加電場對水口材料進行結(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，進而有效改善水口結(jié)瘤堵塞等現(xiàn)象。

4結(jié)論

為了進一步保證在連鑄技術(shù)應(yīng)用的高效、高質(zhì)量運轉(zhuǎn)，研究切實有效解決水口結(jié)瘤堵塞問題的相關(guān)技術(shù)顯得迫在眉睫。本文通過對連鑄用浸入式水口結(jié)瘤產(chǎn)生的原因及形成過程進行分析，簡要闡述了防結(jié)瘤的相關(guān)方法，重點論述了外加電場對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。本文通過對水口施加外加電場得到以下三點結(jié)論。1）在水口內(nèi)壁施加反向外加電場時，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，達到了抑制水口結(jié)瘤的作用。

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作者簡介

陳文，男，1989年出生，高級工程師，研究方向為產(chǎn)品質(zhì)量檢測。

（編輯：于淼，收稿日期：2024-05-06）