CN116944448A - 一种外加电场抑制整体塞棒结瘤提高结晶器液面稳定性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金连铸技术领域，涉及一种外加电场抑制塞棒结瘤提高结晶器液面稳定性的方法。在结晶器内设置耐高温、耐钢水侵蚀的导电材料作为阴极，并与整体塞棒用导线连接；整体塞棒作为阳极，施加70‑120A的直流电流和70‑120A脉冲电流，在反应界面处减少夹杂物向塞棒棒头的迁移，避免塞棒棒头位置大型结瘤的产生和脱落造成的浸入式水口结瘤堵塞、结晶器钢液面异常波动、结晶器内钢液流场失稳和卷渣和钢坯质量下降。本发明提出的外加电场抑制塞棒结瘤提高结晶器液面稳定性的方法是利用同性电荷相互排斥的原理防止整体塞棒棒头夹杂物结瘤，可以达到保证连铸顺行，保障高品质钢钢坯质量的目的，对连铸生产具有重要实际意义。

Description

一种外加电场抑制整体塞棒结瘤提高结晶器液面稳定性的 方法

技术领域

本发明属于冶金连铸技术领域，具体涉及一种外加电场抑制塞棒结瘤提高结晶器液面稳定性的方法。

背景技术

高效连铸是实现高品质钢生产的关键技术之一，整体塞棒是实现高效连铸的重要功能耐火材料，对提高连铸效率、钢坯质量和钢铁流程的连续协同发挥着决定性作用；整体塞棒是连铸生产过程中最为重要的控制元件之一，在连铸工艺中与浸入式水口配合控制钢水从中间包到结晶器的流量，控制结晶器中钢液面稳定，保证连铸工艺顺行和铸坯质量。

在浇铸高品质钢时，整体塞棒面临的主要问题是其棒头部位的结瘤。塞棒棒头的结瘤会导致钢液流量塞棒与浸入式水口腕部与塞棒棒头之间的空间减小，造成单位时间进入结晶器钢液量减小，使结晶器液面下降，塞棒开度增大；随着结瘤加剧，塞棒棒头结瘤物增多，因受到钢液冲击大型结瘤物会脱落，使得塞棒与浸入式水口腕部间空间变大，钢流量瞬间增大，单位时间进入结晶器的钢液量增大，使结晶器液面上升，塞棒开度减小。结晶器钢液面明显波动会导致钢液流场失稳，进而造成卷渣，恶化钢坯质量。整体塞棒棒头的结瘤也会造成浸入式水口内钢液流场失稳，进而导致其结瘤堵塞。另外，脱落的大型结瘤物可能会进入钢坯，恶化钢坯质量，也可能会黏附在浸入式水口出钢口处，加剧其结瘤程度，进而会造成出钢口钢液偏流，结晶器钢液卷渣，恶化钢坯质量。可见，提高整体塞棒的抗结瘤能力对制备高品质钢至关重要。

整体塞棒结瘤的形成是一个复杂的物理化学过程，涉及的影响因素和条件多且相互影响；新近研究表明钢液中氧化铝等夹杂物在电场作用下会定向向阴极移动；通过外加电场可以有效抑制钢液中氧化铝夹杂物向耐火材料迁移和附着；因为，通过第一性原理计算表明，在高温低氧分压下形成的氧化铝夹杂物带有氧空位，本征荷正电；由双电层、摩擦荷电和温差电动势等理论以及研究表明，当钢液流经耐火材料会使其壁面荷负电。连铸过程中，荷正电的氧化铝夹杂物会向荷负电的耐火材料迁移和附着；公开号为CN104772452A的中国专利^[1]公开了一种防止钢坯连铸水口堵塞的方法，也指出连铸过程中浸入式水口和钢液中夹杂物均会荷电，在电场作用下夹杂物会向浸入式水口壁面迁移，导致浸入式水口结瘤堵塞。因此，外加电场可以有效地防止耐火材料结瘤。另外，氧化铝是介电材料，在电场作用下会发生极化，并定向移动，更加利于外加电场防结瘤措施的实现。

外加电场防结瘤技术已经被广泛关注和应用；公开号为CN101176914A的中国专利^[2]公开了一种铸钢炉连铸水口防堵塞和减少侵蚀的方法。此发明，依据的原理是氧化物固体电解质的工作原理。以连铸水口内壁为一极，以钢液为另一极，在铸钢炉连铸水口内壁和钢液之间施加电流为10-300A 的直流电场，通过改变水口内壁电场极性和电流大小，控制钢液内氧化物在水口内壁的附着速度，由此防止水口堵塞。该发明存在以下不足：仅关注浸入式水口的结瘤堵塞，忽略了整体塞棒结瘤才是影响铸坯质量的关键。另外，该发明仅依靠氧化物固体电解质的工作原理，考虑并不全面。

公开号为CN106541123A的中国专利^[3]公开了一种降低铝碳质浸入式水口内壁结瘤速度的方法，在铝碳质浸入式水口的中上部设置导电元件，与脉冲电源的正极通过导线相连，脉冲电源的负极通过导线与塞棒或长水口连接，通过脉冲电源对铝碳质浸入式水口内的钢液施加低密度脉冲电流。该发明存在以下不足：仅提到了利用钢液与氧化铝之间的电阻率不同来控制氧化铝向浸入式水口的迁移，比较片面；另外，该发明提出将整体塞棒作为负极、浸入式水口正极提高浸入式水口的防结瘤能力，但是会加速整体塞棒的结瘤，而整体塞棒的结瘤较浸入式水口结瘤会更加恶化铸坯质量；低密度电流对大尺寸夹杂的去除效果比较明显，对于小尺寸、密度较高的夹杂物去除效果不理想，需要较大的电流才能起作用。

公开号为CN114082910A的中国专利^[4]公开了一种抑制水口堵塞的方法，将脉冲电源的正极连接中间包的塞棒顶部，负极连接水口底部结晶器内的铁棒电极。该发明存在以下不足：以金属熔体与非金属夹杂物之间的电导率差异为基础，依据电自由能驱动原理，使非金属夹杂物受到垂直于电流方向的驱动力，实现脉冲电场下非金属夹杂物的定向迁移，未考虑夹杂物本身的荷电性；发明中使用铁棒作为阴极，这是严重不合理的，铁棒导热过快，冷钢容易顺着铁棒冷端蔓延，干扰结晶器部位工人的操作；发明中使用铁棒作为阴极插入结晶器中，在钢液中的铁棒容易融化，如果结晶器液位降低，铁棒可能无法持续与钢液连接；发明中阴极铁棒与浸入式水口用铁丝捆绑在一起，它们在钢液中或保护渣附近部位很容易接触在一起，这就会使浸入式水口成为阴极，反而会加速浸入式水口的结瘤。

公开号为CN114309571A的中国专利^[5]公开了一种抑制稀土钢连铸过程中水口堵塞的方法及其装置，其中提到将脉冲电源的负极连接浸入式水口，正极与中间包底部接近水口的部位的预埋电极相连。该发明存在以下不足：该发明在连铸中使浸入式水口与电源负极相连，这与已公开专利是相反的，这种连接会加速浸入式水口结瘤堵塞；发明中在中包和浸入式水口中均需要预埋导线或电极，操作复杂，成本高；发明中提供的脉冲电流周期50ms，频率较低，电场强度较弱，防结瘤效果不明显。

外加电场除可防止浸入式水口结瘤外，还可以用来提高耐火材料的使用寿命；公开号为CN114769574A的中国专利^[6]公开了一种提高连铸用整体塞棒寿命的方法，提出在中间包内设置耐高温、耐钢水侵蚀的导电材料作为阳极，并与整体塞棒用导线连接整体塞棒作为阴极，施加5-100A的直流电流，在反应界面处减少FeO向氧化物-石墨复合材料的迁移，进而改善材料的抗侵蚀性，提高整体塞棒的使用寿命。

综上，外加电场对防止夹杂物向耐火材料壁面迁移和粘附的作用较为明显。然而，目前外加电场防结瘤技术主要应用在防止浸入式水口结瘤堵塞方面，而关于外加电场防止整体塞棒的结瘤未见报道。可能有以下三点原因：一是在连铸时，中间包钢液表面有覆盖剂，其不被允许流入结晶器中，在连铸即将结束时，为防止覆盖剂进入结晶器，塞棒开度需要降到最低，封闭浸入式水口，此时中间包中还会有残余的钢，伴随着温度降低发生凝固，整体塞棒难以获得；二是由于缺乏现场数据，研究者们都普遍关注浸入式水口的结瘤对钢坯质量的影响，整体塞棒结瘤的影响往往被忽视；三是连铸环节中，一般采用吹氩手段防止塞棒和腕部结瘤，由于无法观察到塞棒的结瘤情况，研究者们认为吹氩可达到较佳效果，其实不然。为此，开发一种合理且便捷的防止整体塞棒棒头结瘤的技术变得十分重要。

发明内容

本发明的目的是提出一种外加电场抑制塞棒结瘤提高结晶器液面稳定性的方法，使其能够通过同性相斥的作用力而有效的抑制塞棒棒头的结瘤，进而防止浸入式水口结瘤、结晶器液位异常波动和结晶器内钢液流场失稳和卷渣，最终达到保障钢坯质量。

本发明为完成上述目的所采用的技术方案如下：

一种外加电场抑制塞棒结瘤提高结晶器液面稳定性的方法，其特征在于：将整体塞棒作为阳极；对整体塞棒进行预处理，将不锈钢接线柱嵌入整体塞棒远离棒头端；将预制氧化锆碳电极作为阴极，整体塞棒与氧化锆碳电极通过导线与电源连接，连铸过程中构成回路，通过抑制夹杂物在塞棒棒头粘附和结瘤，防止浸入式水口结瘤、结晶器液面波动异常、结晶器内钢液流场失稳和卷渣和钢坯质量下降。

所述不锈钢接线柱的直径15mm；不锈钢接线柱与整体塞棒的连接是通过钻螺纹盲孔实现的。

所述的预制氧化锆碳电极主要由氧化锆和石墨组成，利用氧化锆与钢液不润湿和耐保护渣侵蚀，以及石墨不与保护渣润湿的特性，避免阴极材料被熔钢和熔渣快速侵蚀。

所述的预制氧化锆碳电极固定在绝缘支架，支架固定连铸平台靠近结晶器部位，可用来调节材料的高度。

所述的外加电场为使用70-120A直流电流或使用70-120A、频率20-40KHz的脉冲电流，脉冲电流占空比1/3-2/3，频率20-40KHz。

本发明提出的一种外加电场抑制塞棒结瘤提高结晶器液面稳定性的方法，本发明利用外加电场的技术方法解决整体塞棒棒头结瘤问题，对铸坯质量的稳定和提升具有重要意义，并且本发明的增益之处在于：

利用外加电场的方式来防止塞棒棒头结瘤的工艺简单，普适性更强；在塞棒棒头结瘤得到抑制的同时，结晶器液面波动更加平稳，使得连铸生产过程可以安全、稳定且高效的进行。

在浇铸过程中，由于整体电流电阻较低，所需电压均低于15V，不会产生安全隐患，也不会影响连铸现场仪器的使用。

通过本发明的方法，整体塞棒结瘤厚度降低超过20%，结晶器液面波动范围较未外加电场降低超过30%，浸入式水口出钢口结瘤物减少明显，钢坯中几乎未见大型夹杂物。

附图说明

图1为本发明所述外加电场方式及其相应设备安装示意图。

其中：1-整体塞棒；2-钢液；3-中间包；4-电源；5-浸入式水口；6-渣线；7-保护渣；8-结晶器；9-自动升降装置。

具体实施方式

一种外加电场抑制塞棒结瘤提高结晶器液面稳定性的方法，具体操作方法如下：

步骤1：浇铸前要对整体塞棒进行简单加工：（1）要在整体塞棒上外设置接线柱，便于电源线连接，用于提供电场；（2）接线柱设置位置在整体塞棒棒身远离棒头的一侧；（3）接线柱直径15mm；（4）接线柱与整体塞棒的连接是通过钻螺纹盲孔实现的；（5）接线柱材质为不锈钢。

步骤2：制备耐高温、耐钢水侵蚀的氧化锆碳棒材料，表面涂覆抗氧化涂层，头部外部镶嵌20mm高带有接线柱钢壳，将其与绝缘支架连接，保证浇铸过程中调整氧化锆碳棒的插入位置与深度。

步骤3：将整体塞棒与电源正极相连作为阳极，将氧化锆碳棒与电源负极相连作为阴极，构建电场回路，导线选择铜线（0.5cm粗）。

步骤4：连铸环节进行外加电场控制整体塞棒结瘤进而控制结晶器液面波动操作。施加电流强度分别为直流电流70-120A的直流电流和70-120A（频率20-40KHz）的脉冲电流。

实施例

本实施例以某双流超低碳板坯连铸为对象，实施过程中，二流水口采取正常浇铸作为参照组，对一流水口外加电场作为实施组。以悬挂的方式，将氧化锆碳棒固定在绝缘支架上。连铸开始时，用导线端导电夹夹住整体塞棒和氧化锆碳上的接线柱，将整体塞棒与电源正极相连作为阳极，将氧化锆碳棒与电源负极相连作为阴极，构建电场回路，通过控制绝缘支架将氧化锆碳浸入结晶器钢液，打开电源开关，提供电流，进行控制。

提供电流为直流电流，电流为70-120A，电压为3.5-5.0V。

在浇铸过程中，实施流结晶器液面平稳，结晶器液面波动范围较未外加电场降低30.0%；浇铸后观察到整体塞棒结瘤厚度降低20.0%，浸入式水口出钢口结瘤物减少明显，钢坯中几乎未见大型夹杂物。

实施例

本实施例以某双流超低碳板坯连铸为对象，实施过程中，二流水口采取正常浇铸作为参照组，对一流水口外加电场作为实施组。以悬挂的方式，将氧化锆碳棒固定在绝缘支架上。连铸开始时，用导线端导电夹夹住整体塞棒和氧化锆碳上的接线柱，将整体塞棒与电源正极相连作为阳极，将氧化锆碳棒与电源负极相连作为阴极，构建电场回路，通过控制绝缘支架将氧化锆碳浸入结晶器钢液，打开电源开关，提供电流，进行控制。

提供电流为脉冲电流，电流为70-120A，电压为6.0-15.0V，占空比1/3-2/3，频率20-40KHz。

在浇铸过程中，实施流结晶器液面平稳，结晶器液面波动范围较未外加电场降低40.5%；浇铸后观察到整体塞棒结瘤厚度降低35.5%，浸入式水口出钢口结瘤物减少明显，钢坯中几乎未见大型夹杂物。

实施例

本实施例以某双流超低碳板坯连铸为对象，实施过程中，一流水口采取正常浇铸作为参照组，对二流水口外加电场作为实施组。以悬挂的方式，将氧化锆碳棒固定在绝缘支架上。连铸开始时，用导线端导电夹夹住整体塞棒和氧化锆碳上的接线柱，将整体塞棒与电源正极相连作为阳极，将氧化锆碳棒与电源负极相连作为阴极，构建电场回路，通过控制绝缘支架将氧化锆碳浸入结晶器钢液，打开电源开关，提供电流，进行控制。

提供电流为直流电流，电流为70-120A，电压为3.5-5.0V。

在浇铸过程中，实施流结晶器液面平稳，结晶器液面波动范围较未外加电场降低31.0%；浇铸后观察到整体塞棒结瘤厚度降低20.5%,浸入式水口出钢口结瘤物减少明显，钢坯中几乎未见大型夹杂物。

实施例

本实施例以某双流超低碳板坯连铸为对象，实施过程中，一流水口采取正常浇铸作为参照组，对二流水口外加电场作为实施组。以悬挂的方式，将氧化锆碳棒固定在绝缘支架上。连铸开始时，用导线端导电夹夹住整体塞棒和氧化锆碳上的接线柱，将整体塞棒与电源正极相连作为阳极，将氧化锆碳棒与电源负极相连作为阴极，构建电场回路，通过控制绝缘支架将氧化锆碳浸入结晶器钢液，打开电源开关，提供电流为脉冲电流，电流为70-120A，电压为6.0-15.0V，占空比1/3-2/3，频率20-40KHz。

在浇铸过程中，实施流结晶器液面平稳，结晶器液面波动范围较未外加电场降低39.5%；浇铸后观察到整体塞棒结瘤厚度降低35.0%，浸入式水口出钢口结瘤物减少明显，钢坯中几乎未见大型夹杂物。

实施例

本实施例以某双流超低碳板坯连铸为对象，实施过程中，二流水口采取正常浇铸作为参照组，对一流水口外加电场作为实施组。以悬挂的方式，将氧化锆碳棒固定在绝缘支架上。连铸开始时，用导线端导电夹夹住整体塞棒和氧化锆碳上的接线柱，将整体塞棒与电源负极相连作为阴极，将氧化锆碳棒与电源正极相连作为阳极，构建电场回路，通过控制绝缘支架将氧化锆碳浸入结晶器钢液，打开电源开关，提供电流，进行控制。

提供电流为直流电流，电流为70-120A，电压为3.5-5.0V。

在浇铸过程中，实施流结晶器液面波动幅度大，结晶器液面波动范围较未外加电场增大29.0%；浇铸后观察到整体塞棒结瘤厚度增加25.0%，浸入式水口出钢口结瘤物增多明显，钢坯中出现较多大型夹杂物。

实施例

本实施例以某双流超低碳板坯连铸为对象，实施过程中，二流水口采取正常浇铸作为参照组，对一流水口外加电场作为实施组。以悬挂的方式，将氧化锆碳棒固定在绝缘支架上。连铸开始时，用导线端导电夹夹住整体塞棒和氧化锆碳上的接线柱，将整体塞棒与电源正极相连作为阳极，将氧化锆碳棒与电源负极相连作为阴极，构建电场回路，通过控制绝缘支架将氧化锆碳浸入结晶器钢液，打开电源开关，提供电流，进行控制。

提供电流为脉冲电流，电流为70-120A，电压为6.0-15.0V，占空比1/3-2/3，频率20-40KHz。

在浇铸过程中，实施流结晶器液面平稳，结晶器液面波动范围较未外加电场增大38.0%；浇铸后观察到整体塞棒结瘤厚度增加60.0%，浸入式水口出钢口结瘤物增加明显，钢坯中出现较多大型夹杂物。

Claims (5)

1.一种外加电场抑制塞棒结瘤提高结晶器液面稳定性的方法，其特征在于：将整体塞棒作为阳极，对整体塞棒进行预处理，将不锈钢接线柱嵌入整体塞棒远离棒头端；将预制氧化锆碳电极作为阴极，整体塞棒与氧化锆碳电极通过导线与电源连接，连铸过程中构成回路，通过抑制夹杂物在塞棒棒头粘附和结瘤，防止浸入式水口结瘤、结晶器液面波动异常、结晶器内钢液流场失稳和卷渣和钢坯质量下降。

2.如权利要求1所述的一种外加电场抑制塞棒结瘤提高结晶器液面稳定性的方法，其特征在于：所述不锈钢接线柱的直径15mm；不锈钢接线柱与整体塞棒的连接是通过钻螺纹盲孔实现的。

3.如权利要求1所述的一种外加电场抑制塞棒结瘤提高结晶器液面稳定性的方法，其特征在于：所述的预制氧化锆碳电极主要由氧化锆和石墨组成，利用氧化锆与钢液不润湿和耐保护渣侵蚀，以及石墨不与保护渣润湿的特性，避免阴极材料被熔钢和熔渣快速侵蚀。

4.如权利要求1所述的一种外加电场抑制塞棒结瘤提高结晶器液面稳定性的方法，其特征在于：所述的预制氧化锆碳电极固定在绝缘支架，支架固定连铸平台靠近结晶器部位，可用来调节材料的高度。

5.如权利要求1所述的一种外加电场抑制塞棒结瘤提高结晶器液面稳定性的方法，其特征在于：所述的外加电场为使用70-120A直流电流或使用70-120A、频率20-40KHz的脉冲电流，脉冲电流占空比1/3-2/3，频率20-40KHz。