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浇注料厂家对浸入式水口结瘤物、堵塞物的原因以及结构分析
浏览: 发布日期:2021-04-01

在2021年4月1日星期四浇注料厂家对浸入式水口结瘤物、堵塞物的原因以及结构分析结果如下: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
AlTi、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,AlTi、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重点研究。

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MgTi,稀土元素LaCe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
(1a),当移动到钢水与水口界面处,浇注料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。

图1 夹杂物颗粒在水口内壁上粘附模型示意图

也有许多学者认为水口堵塞不是单一原因而是多重因素的耦合效果。S.N.SINGH认为Al2O3的结瘤主要有4个原因:钢中金属元素与耐材的反应,铝元素与水口吸气而发生的氧化,内生脱氧产物和温度下降造成的析出。近些年来,东北大学于景坤等形成了水口堵塞的双层电荷理论,如图2所示,该理论模型认为钢液流经水口与水口内壁耐火材料产生摩擦,使得浸入式水口内壁将带有多余的自由电荷(2a),在静电力和钢液流体切应力作用下,逐渐形成了双层电荷结构(2b),这些电荷将会影响钢液与耐火材料固液两相界面间的润湿性、物理吸附和界面反应等。通过外加电场,可以减轻或消除双层电荷的影响,改善水口堵塞的状况(2c)

 

2夹杂物在水口内壁上粘附的双电荷层模型示意图


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