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连铸浸入式水口堵塞原因分析及控制措施

发表时间: 2020-08-08 15:01:39

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连铸浸入式水口是连接中间包和结晶器的关键耐材,钢水通过浸入式水口进入结晶器,通过实时调节浸入式水口上部与塞棒的相对位置,改变两者之间的缝隙,控制着浸入式水口截面过钢量和连铸机生产效率

连铸浸入式水口是连接中间包和结晶器的关键耐材,钢水通过浸入式水口进入结晶器,通过实时调节浸入式水口上部与塞棒的相对位置,改变两者之间的缝隙,控制着浸入式水口截面过钢量和连铸机生产效率,决定着结晶器液面状态,从而影响到连铸坯质量。在传输过程中,钢水与浸入式水口内壁不可避免地接触,钢水含有的夹杂物在水口内壁粘附、聚集,随着时间延长,在水口内壁形成结瘤物。这些结瘤物一方面易被钢水冲刷进入结晶器,以较大尺寸的夹杂物留存在连铸坯内;另一方面由于结瘤物形状不规则,造成塞棒控制失稳和结晶器液面大幅波动,严重时引起水口堵塞,甚至导致连铸停浇的生产事故。

目前水口材质多以熔融石英或铝-碳为基本材料,浇注过程中,水口内壁经常有结瘤物或堵塞物,在连铸机上的表现为塞棒的上涨、铸速或结晶器液面的下降。理想情况下,结瘤物在水口内壁上较为均匀地分布,但可能在某些部位比较严重。例如在水口下部钢水流出孔处更为明显,而且堵塞位置不同对钢水的流场也有不同的影响。目前结瘤和堵塞现象难以预测,只有少量文献采用数据统计、神经网络和电磁制动控制的方法大致判断趋势。

水口内壁结瘤物与水口堵塞物普遍存在着分层现象,从诸多文献中看出,结瘤物或堵塞物从水口外层向水口中心分层,依次为水口材质侵蚀层、夹杂物烧结层、含钢夹杂物层。各层的厚度、结瘤物的成分因钢种的不同而略有差别。在浇注含有Al、Ti、稀土元素等活泼元素的钢水后,侵蚀层内存在该类元素的氧化物、硫化物、尖晶石夹杂物。对于硫含量较高的钢水来说,Al、Ti、稀土元素等含量较低时,侵蚀层厚度更不明显,其内可见熔点较高的CaS等夹杂物;夹杂物烧结层较为致密,化学成分与钢中夹杂物成分相同;含钢夹杂物层致密度低,除含有较多的凝钢颗粒、铁的氧化物颗粒外,与前两层相比,含有更多的低熔点硫化物等夹杂物。结瘤物或堵塞物的结构会受到钢水流向的直接影响,当钢水在浸入式水口内部发生偏流时,结瘤物的分布也会不对称,张立峰等就详细报道了偏流引起的不对称水口结瘤。

水口结瘤、堵塞的原因分析

结瘤物的来源是冶炼过程的脱氧产物、钢水与耐材的反应产物或者吸气造成的二次氧化产物。对于内生脱氧产物、二次氧化产物的形成已经获得了共识,在钢水与耐材的反应产物、夹杂物粘附方面还需要研究。

对于复相夹杂物的形成和水口脱碳层或侵蚀层的形成原因,许多专家提出的钢中金属元素与耐材的反应也得到了广泛认可。含有石墨的耐材水口在脱碳后,金属元素与耐材在界面发生如下的化学反应:

3CO(g)+2[Al]=Al₂O(3s)+3[C];  (1)

4[Al]+3O(2g)=2Al₂O₃;  (2)

2[Ca]+O(2g)=2CaO;  (3)

CaO+6Al₂O₃=CaO·6Al₂O₃;  (4)

CaO·6Al₂O₃+2CaO=3CaO·2Al₂O₃。 (5)

对于活性金属元素Mg、Ti,稀土元素La、Ce等与水口材质中的Al₂O₃存在着类似的如下反应:

2[Al]+4MgO(s)=MgO·Al₂O(3s)+3[Mg];   (6)

2[Ce]+2Al₂O₃=2CeAlO₃+2[Al]。 (7)

这些反应生成的复杂氧化物粘附在水口内壁上成为结瘤物或堵塞物,与观察到的实际现象吻合。对于夹杂物在水口内壁的粘附模型,T.Botelho提出的水口堵塞机理是Al₂O₃等夹杂物的沉积,如图1所示。随钢液流动的夹杂物颗粒悬浮在钢水中(图1a),当移动到钢水与水口界面处,部分颗粒与钢水接触,由于夹杂物与钢水的界面能大于夹杂物与耐火材料的界面能,夹杂物颗粒粘附到耐火材料表面(图1b),夹杂物颗粒不断地聚集(图1c),烧结形成瘤状物和堵塞物(图1d)。聚集的过程可能与温度、颗粒大小、接触表面粗糙度相关。文献指出小尺寸夹杂物,大水口内壁粗糙度和钢水较慢的移动速度均会促进结瘤和堵塞,钢水流速较小的滞留区,夹杂物更容易粘附在内壁上。


连铸浸入式水口堵塞原因分析及控制措施
连铸浸入式水口是连接中间包和结晶器的关键耐材,钢水通过浸入式水口进入结晶器,通过实时调节浸入式水口上部与塞棒的相对位置,改变两者之间的缝隙,控制着浸入式水口截面过钢量和连铸机生产效率
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