利用外加電流抑制浸入式水口堵塞的研究進(jìn)展

孫亞東 杜傳明 袁 磊 于景坤

東北大學(xué)冶金學(xué)院 遼寧沈陽 110819

浸入式水口是連接中間包與結(jié)晶器的重要功能性耐火材料，對(duì)于避免鋼液二次氧化，防止結(jié)晶器內(nèi)卷渣，減少鑄坯表面缺陷具有重要的作用［1-3］。在連鑄過程中，由于夾雜物在水口內(nèi)壁的附著和堆積，常常會(huì)造成水口結(jié)瘤和堵塞，致使連鑄中斷，生產(chǎn)效率降低。另外，附著在水口內(nèi)壁上的堵塞物不但會(huì)改變鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的流場(chǎng)，引起結(jié)晶器液面波動(dòng)和卷渣，而且如果夾雜物脫落，還會(huì)在鋼中形成大型夾雜物，顯著降低鑄坯質(zhì)量［4-5］。因此，如何控制浸入式水口的結(jié)瘤和堵塞是目前連鑄生產(chǎn)過程中亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

本文中分析了浸入式水口結(jié)瘤和堵塞的產(chǎn)生機(jī)制和目前常用的應(yīng)對(duì)措施，基于外加電流對(duì)鋼液中夾雜物遷移的影響，分析了電流分離熔體中夾雜物的原理，介紹了利用外加電流抑制水口結(jié)瘤和堵塞的新方法，并討論了其應(yīng)用前景和未來發(fā)展方向。

1 水口堵塞機(jī)制及預(yù)防措施

為了有效解決浸入式水口的結(jié)瘤和堵塞問題，掌握其形成過程和機(jī)制至關(guān)重要。為此，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，獲得了諸多研究成果［6-8］。浸入式水口堵塞過程通常分為兩個(gè)階段：第一階段為夾雜物向水口內(nèi)壁的遷移，第二階段是夾雜物在水口內(nèi)壁的附著。關(guān)于夾雜物的附著行為，認(rèn)為夾雜物能否在水口壁面上附著主要取決于夾雜物顆粒間附著力與脫附力的大?。?-10］。由計(jì)算可知，球形顆粒發(fā)生接觸后會(huì)產(chǎn)生較大的附著力，使其相互聚集。顆粒進(jìn)一步聚集形成穩(wěn)定的集群便附著在水口內(nèi)壁結(jié)瘤，造成水口的堵塞。實(shí)際上，位于水口內(nèi)表面層流區(qū)的夾雜物顆粒是處于靜止?fàn)顟B(tài)的，鋼液中其他夾雜物顆粒與這些顆粒接觸時(shí)會(huì)被吸附。而處于湍流區(qū)的夾雜物隨鋼液流動(dòng)，并在慣性力的作用下遷移進(jìn)入層流區(qū)并被吸附在水口內(nèi)壁［11］。水口結(jié)瘤是一個(gè)涉及熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜過程。

基于對(duì)水口結(jié)瘤和堵塞機(jī)制的研究結(jié)果，冶金工作者提出了抑制水口堵塞的諸多方法。主要包括：1）提高鋼液潔凈度，減少夾雜物數(shù)量［12-13］，例如，控制脫氧合金鋁的加入量，吹氣攪拌等；2）提高鋼液澆注溫度［14］，改善其流動(dòng)性，避免夾雜物在水口內(nèi)壁的附著；3）選取合適的水口材質(zhì)［15］，增大耐火材料與鋼液之間的潤濕角，抑制鋼液在水口內(nèi)黏附；4）吹氬氣形成氣柱流，保護(hù)水口［16］；5）采取無氧保護(hù)澆注［9］，防止鋼液二次氧化的發(fā)生，減少夾雜物形成。采用上述措施有效地抑制了水口的結(jié)瘤和堵塞，但仍不能徹底解決水口堵塞問題。

一般認(rèn)為，鋼液中夾雜物向水口內(nèi)壁的遷移和附著是導(dǎo)致水口堵塞的主要原因［17-18］，因此，如果能有效調(diào)控鋼液中夾雜物向水口內(nèi)壁的運(yùn)動(dòng)，則可以抑制水口的結(jié)瘤和堵塞。近年來，隨著人們對(duì)鋼中夾雜物特性的了解和研究的深入，通過電流控制鋼中夾雜物的研究得到越來越多的關(guān)注，并且已成為一種控制鋼中夾雜物的有力手段。因此，研究和總結(jié)利用外加電流分離鋼中夾雜物及其機(jī)制對(duì)于開發(fā)抑制水口堵塞的新技術(shù)具有重要意義。

2 夾雜物遷移的電泳理論

最近的一些研究表明，當(dāng)對(duì)金屬熔體施加電流時(shí)，熔體中的非金屬夾雜物能夠發(fā)生運(yùn)動(dòng)和遷移。有學(xué)者認(rèn)為，金屬熔體中的夾雜物帶有電荷，在電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生類似于膠體顆粒的電泳現(xiàn)象，并且利用該現(xiàn)象可實(shí)現(xiàn)夾雜物的分離［19］。由于氧化物對(duì)電子的束縛能力比液態(tài)金屬的?。?0］，因此當(dāng)兩者發(fā)生相互接觸時(shí)，氧化物中的部分自由電子將會(huì)轉(zhuǎn)移到液態(tài)金屬中，使氧化物表面帶有等量的正電荷，導(dǎo)致帶電的夾雜物顆粒在電場(chǎng)作用下向著與其電性相反的電極移動(dòng)。杜慧玲等［21］發(fā)現(xiàn)在液態(tài)金屬中半導(dǎo)體氧化物表面帶有正電荷，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)法也確認(rèn)了兩相界面的帶電現(xiàn)象，Al2O3在液態(tài)金屬中帶有正電荷，由Al2O3提供的過量電子在界面處形成了擴(kuò)散雙電層。Kim等［22］將兩個(gè)電極板插入液態(tài)金屬錫中并施加高達(dá)12 000 V的直流電，研究了金屬液中懸浮的金屬氧化物（SnO2，WO3和PbO）顆粒的運(yùn)動(dòng)行為。結(jié)果表明，氧化物顆粒會(huì)聚集附著在負(fù)極，而在正極區(qū)域很難發(fā)現(xiàn)氧化物顆粒。該結(jié)果也證實(shí)了金屬氧化物帶有正電荷，通過外加電場(chǎng)可以分離金屬熔體中的氧化物顆粒。此外，升高電壓能提高氧化物的分離效率。

張令等［23］采用上下通電的方式對(duì)坩堝中的鋼液施加直流電和交流電，研究了Al2O3夾雜物的遷移行為。結(jié)果表明，通電處理后Al2O3夾雜物聚集在負(fù)極區(qū)域；與未通電的鋼樣對(duì)比可知，通電處理后鋼樣內(nèi)部夾雜物數(shù)量大幅減少。另外，在電脈沖（1.0×103A·m-2、5 000 Hz）作用下，鋼液中的微小夾雜物（尺寸為2～5μm）會(huì)發(fā)生明顯的遷移，氧化物夾雜向負(fù)極遷移，非氧化物夾雜（如MnS和TiN）則向正極遷移［24］。由此可見，鋼液中氧化物夾雜顆粒帶有正電荷，非氧化物夾雜顆粒帶有負(fù)電荷。根據(jù)帶電特性，帶異種電荷的夾雜物在電場(chǎng)作用下會(huì)分別向兩極遷移。

鋼液中的夾雜物一旦帶有電荷，夾雜物將會(huì)在電場(chǎng)力的作用下發(fā)生定向遷移。因此，通過電流對(duì)夾雜物的調(diào)控作用，可以大幅度降低鋼中夾雜物的數(shù)量。利用此原理，如果在鋼液和水口間施加電流，那么就會(huì)控制夾雜物在水口內(nèi)壁的遷移和附著，進(jìn)而有效抑制水口堵塞。

3 外加電流對(duì)抑制水口堵塞的影響

基于電流作用下夾雜物的遷移特性，Dai等［25］和孫勇等［26］將水口試樣棒和石墨棒作為電極平行插入鋼液中，通入不同強(qiáng)度的電流，觀察電極附著層厚度的變化，并且對(duì)電極附著物的成分進(jìn)行了分析。圖1為電極附著層厚度與電流強(qiáng)度的關(guān)系。未通電時(shí)，正負(fù)電極的附著層厚度趨于一致。隨著電流的增加，負(fù)極附著夾雜物的厚度顯著增加，正極的逐漸減??；當(dāng)電流強(qiáng)度為5 A左右時(shí)，正極的附著厚度降低了90%。經(jīng)過XRD分析，負(fù)極的附著物主要為Al2O3，說明Al2O3夾雜物帶有正電荷。因此，在水口處通入電流可阻止夾雜物向水口遷移和聚集，防止水口堵塞。

圖1 電流強(qiáng)度對(duì)電極附著層厚度的影響

Masayuki等［27］將與水口同材質(zhì)的鋁碳棒插入到鋁鎮(zhèn)靜鋼液中，將電流為5 A的直流電源兩極分別與棒和鋼液相連，考察鋁碳棒上夾雜物的附著情況。與未通電時(shí)相比，若鋁碳棒與正極相連，附著層厚度增加了9%，而與負(fù)極相連，附著層厚度減少了33%。

馮士超等［28］通過在浸入式水口和中間包鋼水間通入直流電的方法抑制水口結(jié)瘤和堵塞，此時(shí)Al2O3-C浸入式水口與負(fù)極相連接。圖2為通電和未通電處理時(shí)的水口內(nèi)壁形貌。未通電流時(shí)，水口內(nèi)壁存在很厚的夾雜物附著層。通電流后，水口內(nèi)壁的附著層變薄，當(dāng)電流強(qiáng)度為100 A時(shí)效果顯著。這些試驗(yàn)結(jié)果與孫勇等［26］的完全相反，但是可以確認(rèn)在電流作用下夾雜物能夠發(fā)生遷移，利用該現(xiàn)象能夠改善水口內(nèi)壁夾雜物的結(jié)瘤和堵塞。

圖2 通電流和未通電流時(shí)的水口厚度變化

依據(jù)摩擦起電理論，兩種不同的物質(zhì)相互摩擦?xí)r，兩者會(huì)分別帶有不同類型的電荷。此外，固液兩相對(duì)電子的親和力不同，當(dāng)兩者進(jìn)行摩擦?xí)r會(huì)發(fā)生自由電子的遷移，從而在固液兩相界面形成雙電子層［29］。于景坤等［30］和楊鑫等［31］認(rèn)為，鋼液快速流經(jīng)水口時(shí)，由于兩者發(fā)生劇烈摩擦?xí)顾诘膬?nèi)壁和鋼液帶有不同的電荷?，F(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)亦證實(shí)了連鑄過程中浸入式水口帶有負(fù)電荷，并且隨著拉速的增加所產(chǎn)生的電流強(qiáng)度增大。根據(jù)雙電層理論，非金屬夾雜物對(duì)電子的束縛能力較小，因此鋼液中的Al2O3易失去電子帶有正電荷。由于水口和Al2O3夾雜物帶有相反電荷，Al2O3夾雜物會(huì)在靜電力的作用下，向水口的內(nèi)表面移動(dòng)，形成Al2O3附著層，容易造成水口的結(jié)瘤和堵塞。

減少水口內(nèi)壁電荷量或者降低電場(chǎng)強(qiáng)度，削弱夾雜物遷移的驅(qū)動(dòng)力是改善水口堵塞的重要途經(jīng)。例如，將水口接地將多余的電荷導(dǎo)入大地，或者施加相反的電場(chǎng)，都可以減少夾雜物的附著，抑制水口的結(jié)瘤和堵塞。圖3為未通電流和通電流時(shí)的水口結(jié)瘤和堵塞狀況［32］。通電流后，水口堵塞得到明顯改善，水口內(nèi)壁表面光滑，附著的夾雜物較少，可以提高水口的使用效率。

圖3 正常處理和經(jīng)過電流處理時(shí)的水口堵塞狀況

Tian等［33］研究了施加脈沖電流對(duì)連鑄過程中水口內(nèi)壁形貌和附著層成分的影響，分析了鑄坯中夾雜物的尺寸變化。圖4為使用不同處理方法獲得的水口的橫截面。未通脈沖電流時(shí)，水口腐蝕嚴(yán)重，水口內(nèi)壁較為粗糙。圖5示出了有無通電時(shí)水口內(nèi)壁的附著夾雜物形態(tài)［34-35］。附著物主要含有Al、Fe和O元素。在未通電流的水口中，Al2O3夾雜物的含量較高。通脈沖電流后，由于Al2O3夾雜物發(fā)生了遷移，水口處附著的夾雜物數(shù)量大幅度降低，說明脈沖電流能夠有效抑制夾雜物的附著。

圖4 正常處理和通電處理時(shí)水口的宏觀變化

Tian等［36］認(rèn)為水口的侵蝕過程是由爐渣向水口內(nèi)部浸透，并與水口組分反應(yīng)兩個(gè)步驟組成。在水口與鋼液間施加穩(wěn)定正電場(chǎng)后，由爐渣解離出的離子會(huì)在電場(chǎng)的作用下做定向遷移。由于水口側(cè)帶正電，因此，O2-會(huì)被吸引到水口一側(cè)，而Ca2+則會(huì)被水口排斥遠(yuǎn)離水口。但是，由于K+和Na+堿性離子與水口之間的滲透和反應(yīng)能力強(qiáng)于電荷的排斥力，因而會(huì)向水口側(cè)遷移。同時(shí)，渣中的C也會(huì)滲透到水口中。水口在使用過程中，由于水口內(nèi)壁的脫碳和不斷溶解，形成了含有孔洞和縫隙的粗糙層。當(dāng)施加脈沖電流時(shí)，由于電場(chǎng)斥力的作用，夾雜物難以遷移靠近水口壁面的粗糙層，而鋼液則很容易在粗糙層黏結(jié)，從而導(dǎo)致水口內(nèi)壁導(dǎo)電能力增強(qiáng)，因此，會(huì)進(jìn)一步抑制夾雜物在水口內(nèi)壁的附著。

4 結(jié)語

為了實(shí)現(xiàn)連鑄的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，開發(fā)出一種從根本上解決水口堵塞問題的新技術(shù)變得十分重要。鋼液中夾雜物的附著和聚集是造成水口結(jié)瘤和堵塞的主要原因。當(dāng)對(duì)鋼液施加電流時(shí)，非金屬夾雜物會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)和定向遷移，能夠有效降低夾雜物的含量，提高鋼液潔凈度。通過在水口和鋼液間施加電場(chǎng)可以大幅度降低水口內(nèi)壁附著的夾雜物數(shù)量，顯著抑制了水口的結(jié)瘤和堵塞，提高了水口的使用壽命。關(guān)于其作用機(jī)制尚需在以下幾個(gè)方面做進(jìn)一步的研究和探討。

（1）為了獲得夾雜物的遷移軌跡、速度、時(shí)間等參數(shù)，有必要建立電流作用下夾雜物動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型。目前比較流行的數(shù)學(xué)模型為多尺度夾雜物數(shù)量守恒模型、夾雜物分形長大模型等。但是由于鋼液中的夾雜物涉及到多種物理化學(xué)反應(yīng)，目前現(xiàn)存的模型并不能準(zhǔn)確分析出夾雜物的運(yùn)動(dòng)行為，需要對(duì)夾雜物在電流作用下的遷移進(jìn)行物理模擬。

（2）為了降低成本和提高生產(chǎn)效率，有必要通過更深入的研究來確定最佳的電流參數(shù)，更高效地抑制水口的結(jié)瘤和堵塞。

（3）鋼液中帶電夾雜物顆粒之間存在靜電力，會(huì)影響各自的運(yùn)動(dòng)行為。若在外加電流作用下，計(jì)算分析它們之間的作用力對(duì)控制夾雜物的遷移和水口堵塞具有重要的意義。