中间包水口堵塞机理及其防止措施

中间包水口堵塞机理及其防止措施

摘要:文章就钢中三氧化二铝产生的原因、上浮机理及其影响其排除因素进行了分析,并提出保证铝镇静钢顺利浇注的一些技术措施。

关键词:水口;堵塞机理;三氧化二铝;铝镇静钢;浇注

1前言

Al-C质水口在浇注含铝镇静钢时，常有大量的白色絮状物质沉积在水口内壁，使水口堵塞。水口堵塞的原因是由于熔点的化合物A12O3（熔点2020℃ ）, CaS（熔点2450℃）或A12O3·MgO等粘附在水口内壁上造成的。钢水中Al与耐材中氧化物及空气中氧发生反应形成A12O3，反应方程式为:

3SiO2+4Al=2Al2O3+3Si

Fe2O3+2Al=Al2O3+2Fe

3O2+4Al=2Al2O3

大包水口发生堵塞时，往往会出现我们通常所说的“大包跟不上中包流”现象，当拉速降低仍不足以遏止中包液面下降时，通常采取的措施是去掉保护套管烧氧。当这种办法仍难以保证钢流通畅时，只能换包浇注或停浇。中包水口发生堵塞时，往往会出现结晶器液面持续下降，保护渣结壳严重，通常采取的措施是加大塞棒吹氩压力或快速关闭和开启塞棒冲掉堵塞物，但这会造成结晶器液面强烈扰动，铸坯表面出现纵裂和夹渣。同时，一旦堵塞物被冲入钢水中，又会恶化铸坯内部质量，更重要的是，这些被冲洗下来的堵塞物阻碍液渣流入铸坯与结晶器壁之间的空隙，由于堵塞物的含碳量高(塞棒和浸入式水口均含有碳)和A12O3含量高，不但使弯月面钢水的含碳量升高，还使液渣的A12O3含量和黏度升高，因而增加粘结漏钢的危险。如果堵塞物采取上述措施后仍然无法保证水口下流则只能停浇。

2氧化铝质点聚合机理分析

2.1碰撞理论

钢水中的A12O3质点相撞后会发生粘附、烧结、聚合，并从钢水中分离出来.其动力学依据为:

△G0=F1·σFe+F2(σtnc－σFe－tnc)

式中: σFe——钢水表面能: σtnc——夹杂物的表面能: σFe－tnc——钢与夹杂物界面的自由能。

只有当△G O是负值时，相撞的质点才能相互吸附。含A12O3的钢水中，由于σFe－tnc值很大，所以A12O3质点较容易发生粘附、烧结。碰损理论同样适用于A12O3质点与耐火材料的相撞。

钢流方向的急剧变化对A12O3夹杂物产生一种向心力，促使A12O3与水口内壁耐材发生碰撞自至A12O3附着在水口内壁上。科尔(Kor)对MgO·A12O3的形成做了如下描述:

(1)耐火材料中的MgO被耐火材料中的碳还原，产生镁气体和CO气体：MgO+C=Mg+CO

(2)镁气体和CO气体从耐火材料扩散到钢水中:

(3)在钢水~耐火材料的界面上CO→C+O，碳和氧溶入钢水，镁也溶入钢水:

(4)镁、碳和氧扩散到钢水内部:

(5) MgO·A12O3薄层或颗粒在钢水中析出。

研究表明钢中酸溶铝越高，即钢水中的氧活度愈低，钢包耐火材料中的MgO被酸溶铝还原出的镁就愈多。在钢包炉内(A12O3衬或MgO衬)，渣子的碱度CaO / SiO2从1. 4 h减少到1. 1 h,从耐火材料中还原出的镁和铝都少

3水口堵塞影响因素分析

3.1分离流理论

S·道森( Dawson)在水力模型内用氢气泡模拟夹杂物在13 kg和60 kg感应炉内对影响水口堵塞的因素进行了研究，他提出连铸铝镇静钢水口堵塞与水口几何形状、水口交装垂直度以及水口内壁粗糙程度有关，悬浮在钢水中细小的初生脱氧产物颗粒的析出不是通过化学反应或局部温度下降，而是由于流速低的分离流区的存在。此分离流理论说明为什么夹杂物总是聚集在某此区域，也说明这此松散的聚积层不会被高速流动的注流冲走。

(1)水口形状对水口堵塞有较大影响。

(2)水口安装垂直度对水口堵塞也有影响，水口安装位置只要偏离垂直度，就会引起分离流。

(3)水口内壁表面的粗糙程度对水口堵塞也有影响。

连铸小方坯水口内壁表面的粗糙高度大于0.7 mm或7 cm内径防护套管的粗糙高度大于0.4 mm就能使分离流区的粘滞层完

全消失，从而加速夹杂物在水口内壁表面的堆积。

A12O3-C质防护套管在浇铸数小时后，由于碳被溶解或固态夹杂物逐渐堆积,就能达到大于0.4 mm的粗糙高度。

小关( Ozcki)注意到在A12O3一C质防护套管的内壁表面涂上细粒ZrO2涂层可以减少堵塞速度，

仓田( Kurata)也观察到浸入式水口内表面的粗糙程度对水口堵塞有影响。

3.2低速流理论

钢流在水口断面上的运动速度呈抛物线分布,靠近水口内表面的钢流速度最小，因而A 12O3更易沉积在水口内壁黏度很大的熔融玻璃体上。玻璃体的主要组成是:SiO2、MnO、 A12O3、Fe2O3等为A12O3沉积创造了条件。

3.3索拉克(So llac)杂质理论

索拉克(S ollac)对石墨-高铝质水口对铝镇静钢水口堵塞的机理进行了研究,认为水口堵塞倾向与耐火材料中杂质(SiO2、Na2O 、K2O、Fe2O3)的含量有关，杂质含量愈高,水口堵塞倾向就愈大。不含SiO2石墨高铝质水口堵塞倾向很小。如果在水口材质中不含有碳，则可以完全防止水口堵塞。但碳含量低时，水口的抗热震性差。

3.4“节流”理论

在实际生产中,大包控流是通过上下滑板的相对移动来实现的.这种操作简称为节流.虽然，节流能够很好地控制钢流,但也增加了滑板砖的局部熔损.根据水力模拟试验,在滑板砖局部熔损处形成相当大的负压,产生强烈的向上的逆流.在节流时,直接受到钢水的冲刷作用,形成熔损。

节流,一方面使得在水口内产生了分离流,按分离流的理论，在低速分离流区域A12O3很容易沉积,另一方面，由于水口局部熔损，熔损区域粗糙，也给A12O3沉积创造了条件。同时,由于节流,钢流直接冲刷水口内壁,按照低速流理论,钢流会以较低的速度沿内壁流动,从而延长了下流时间,并使A12O3有充分的时间沉积下来.

4水口堵塞防止措施

4.1钙处理

精炼时通常往钢水中喷入Si-Ca粉或喂入Si-Ca丝,对A12O3进行变性处理，加入钙后，夹杂物中氧化钙含量会增加,其液相结温度会下降(CA6-CA2-CA-C12A7 )，当钙的加入量达到某一点时，夹杂物就会呈液态(C12A7)，这个点的位置取决于钢水温度，继续加钙会进一步提高氧化钙的活度,促进氧化钙与硫的反应，硫化钙在铝酸钙的溶解度很低,在钢水温度下会以固态析出。

固态CaS质点也会附着水口内壁而堵塞水口.当硫含量高时,铝更可能导致硫化钙析出,使水口堵塞问题更难解决。

钙与氧、硫和A12O3夹杂之间的反应如下一步:

Ca+O=CaO，

Ca+S=CaS，

Ca+Al2O3=（铝酸钙）+Al

钙加入钢水中生成CaS还是生成CA6、CA2、CA、液态C12A7决定于钙的加入量、钢水温度、钢水中铝和硫的含量，实际生产中通常用控制[Ca] /[ Al]比的方法来控制铝酸钙的生成类型，试验表明:

(1)当[Ca] /[ Al]<0.10时(单独用铝脱氧)，生成CaO·6 A12O3 (CA6)等脱氧产物,其熔点高、流动性差,极易造成水口堵塞。

(2)当0. 10< [Ca] /[ Al] < 0.13时,在脱氧产物中,除Ca0·6 A12O3外,还有CaO· 2 A12O3存在,流动性有所改善,因此水口堵塞有所减少。

(3)当0.13< [Ca] /[Al]<0.14时,脱氧产物是CaO·2 A12O3 ( CA2 )或CaO·A12O3 (CA), 呈熔融或半熔状态。

(4)当0.14<[Ca] /[Al]<0.18时,脱氧产物为12CaO·7 A12O3 (C12A7 ),呈液态,完全消除了水口堵塞现象。

4.2改进材质

用ZrO2- CaO—石墨水口取代石墨—A12 O3水口,不但使水口堵塞减少，而且使板坯上的簇状A 12 O3夹杂减少。

减少石墨—A12O3水口耐材中SiO2、Na2O 、K2O 、F e2O3等杂质含量,以及在保证水口有良好抗热震性的前提下,尽可能地减少C含量,为了解决碳含量对水口堵塞和热震性的矛盾,将水口内表面和塞塞棒头部表面敷上一层1一2 mm厚的含碳低(C约为6%)的耐火材料，可以使水口堵塞程度减少30%～50%。

用MgO一石墨水口取代石墨一A12O3水口,用以减少水口堵塞，是近年来研制出的一种新型材质的水口(多用于浸入式水口)，其水口砖由镁砂、石墨和中性耐火材料，如氧化铬、碳化硅、氮化硼等配制而成，由于在镁碳材料中加入了中性耐火材料,与以前的铝碳质水口砖相比,有以下优点:

(1)耐侵蚀性强，在钢水中熔损小: