CN117206510B - 一种防止整体塞棒结瘤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金连铸技术领域，具体涉及一种防止整体塞棒结瘤的方法，在整体塞棒棒头复合一层氮化硼‑氧化锆防结瘤层，氮化硼‑氧化锆防结瘤层配方为：氮化硼30‑70wt%、氧化锆30‑70 wt%，氧化锆为电熔氧化钙稳定氧化锆，外加添加剂是铝硅合金粉，添加量为4wt%，结合剂为酚醛树脂；在中间包放置一圆柱形电极；将整体塞棒棒头、圆柱形电极与脉冲电源相连，整体塞棒与电源正极相连，圆柱形电极与电源负极相连。本发明提出的基于电场与材料耦合思路防止整体塞棒结瘤的方法结合了同性电荷相互排斥的原理和复合防结瘤外衬的思路，可以达到保证连铸顺行，保障高品质钢铸坯质量的目的，对连铸生产具有重要实际意义。

Description

一种防止整体塞棒结瘤的方法

技术领域

本发明属于冶金连铸技术领域，具体涉及一种防止整体塞棒结瘤的方法。

背景技术

高效连铸是实现高品质钢生产的关键技术之一，整体塞棒是连铸用关键功能耐火材料。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，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。

相对于分体塞棒来说整体塞棒是一次性成型的制品，一般由不同材料复合而成，按服役环境及功能的不同，可以分为连接部、本体、棒头、渣线等；棒头是整体塞棒的关键部位，在浇铸高品质钢时，其面临的主要问题是夹杂物结瘤；塞棒棒头的结瘤会导致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。

很明显，塞棒棒头结瘤造成的危害要明显高于浸入式水口结瘤堵塞；然而，因塞棒的服役环境所限，取样和直观观察受限，所以学者们的关注点都聚焦在了水口结瘤上；关于水口结瘤，其主要过程是夹杂物的产生-夹杂物的迁移-夹杂物的附着与烧结；其中，主要环节是夹杂物的迁移与夹杂物的附着与烧结；夹杂物的迁移主要是受到钢液湍流和涡流作用的影响；夹杂物的附着是界面能降低、与钢液不润湿、降温和水口壁面粗糙度增大造成的；结瘤物的主要成分是氧化铝，其次含有少量的钠、钾、钙、铁、锰等元素；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；另外，水口内壁一般为氧化铝碳材料，钢液脱碳使得壁面粗糙的增大，是造成夹杂物附着和烧结的主要原因；同理，塞棒棒头的结瘤原理也是如此；因此，要防止整体塞棒的结瘤，需要外加电场和防止塞棒棒头脱碳。

外加电场防结瘤技术已经被广泛关注和应用；CN104772452A公开了一种防止钢坯连铸水口堵塞的方法，指出连铸过程中浸入式水口和钢液中夹杂物均会荷电，外加电场可有效防止连铸过程中浸入式水口结瘤；CN101176914A公开了一种铸钢炉连铸水口防堵塞和减少侵蚀的方法，依据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；CN106541123A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，防止浸入式水口结瘤； CN114082910A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，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；CN114309571A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，通过外加电场的方式抑制水口堵塞。施加电场虽然取得了一定的效果，但存在几个问题，一是电场施加时未考虑到材质情况，由于水口均采用含碳材料，在接触钢液时会失去碳，导致表面粗糙，钢液在水口表面的紊乱度增大，加速了结瘤，甚至会抵消电场的作用；二是电场施加的方式有待于改进，电场参数尚未完善。

防止水口脱碳，提高内壁材料光滑度，主要从材料角度入手；目前，主要的手段是在水口内壁复合一层防结瘤内衬；目前已经开发的内衬材料有：ZrO₂-CaO-C质^[98]、无碳的尖晶石质^[98]、刚玉质^[99]，Al₂O₃-SiO₂质^[100]，MgO-SiO₂-CaO质^[101]、CaTiO₃质^[102,103]等内衬材料。ZrO₂-CaO-C材质是利用CaO与沉积的Al₂O₃反应生成低熔点相并被钢液冲走，以及使SEN内壁光滑来实现防堵。无碳尖晶石质防堵机理是：①避免了脱碳造成的SEN内表面粗糙度的增加；②内衬材料中不含碳，其导热性大大降低，有利于防止钢液温降；③尖晶石高温膨胀会堵塞气孔，防止钢液的渗入和外界氧化气体的进入。使用刚玉质内衬作为防堵内衬的主要原因是：刚玉不与钢液发生反应，且易与Ca反应会形成钙铝酸盐低熔点相。因此，在钙处理钢冶炼中使用刚玉质内衬可以达到较优异的防堵效果。Al₂O₃-SiO₂质、MgO-SiO₂-CaO质和CaTiO₃质等内衬均是通过在其表面形成液相防止Al₂O₃夹杂附着的方式来实现防堵。然而，上述内衬仅对某些钢种有效，普适性差。

CN202310052790公开了一种材料与电场耦合防止浸入式水口堵塞的方法，利用氧化锆与钢液不润湿、与氧化铝反应性差以及Max相和Al-Si合金高温下自密封的特性，同时基于脉冲电场下带正电氧化铝夹杂物远离正极的原理，在浸入式水口内部复合氧化锆基内衬材料，同时连铸时施加高频脉冲电场，减缓浸入式水口内部氧化性气体CO、SiO等向浸入式水口与钢液界面的渗透，降低内衬材料与氧化铝的反应，避免氧化铝夹杂向水口壁面迁移，减少浸入式水口内部氧化铝的结瘤。

电场与材料耦合的设计思路对于防止浸入式水口结瘤具有较好的应用前景，然而，该方式未在整体塞棒防结瘤上进行应用，而整体塞棒的结瘤对铸坯质量的影响要高于浸入式水口。CN114769574A公开了一种提高连铸用整体塞棒寿命的方法，针对的是整体塞棒棒头抗冲刷能力弱，通过将整体塞棒与电源负极相连，在中间包内设置耐高温、耐钢水侵蚀的导电材料与电源正极相连，提高其抗冲刷性。然而，该方法未考虑将整体塞棒与电源负极相连会加速其结瘤的情况。

综上所述，基于电场与材料耦合思路防止整体塞棒结瘤的方法具有较大的应用前景。同时，应综合考虑塞棒棒头服役时受钢液高速冲刷的状况。

发明内容

本发明的目的是提出一种防止整体塞棒结瘤的方法，使其能够通过同性相斥的作用力而有效的抑制钢液中氧化铝夹杂向塞棒棒头移动，通过复合防结瘤内衬材料防止氧化铝夹杂在塞棒棒头附着和烧结，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：

一种防止整体塞棒结瘤的方法，其特征在于：在整体塞棒棒头复合一层氮化硼-氧化锆防结瘤层，所述的氮化硼-氧化锆防结瘤层配方为：氮化硼30-70wt%、氧化锆30-70wt%，氧化锆为电熔氧化钙稳定氧化锆，外加添加剂是铝硅合金粉，添加量为4wt%，结合剂为酚醛树脂；在中间包放置一圆柱形电极；将整体塞棒棒头、圆柱形电极与脉冲电源相连，整体塞棒与电源正极相连，圆柱形电极与电源负极相连；施加电流为脉冲电流，电流大小为50-200A；通过外加电场抑制钢液中夹杂物向整体塞棒棒头迁移；利用氮化硼和氧化锆不与钢液润湿和不与氧化铝反应，并且具有高的耐冲刷性来抑制整体塞棒棒头处氧化铝的附着；利用铝硅合金高温自密封的特性，防止整体塞棒棒头处钢液中[Al]氧化为氧化铝；利用在整体塞棒棒头表面生成低熔点相防止氧化铝附着。

氮化硼-氧化锆防结瘤层的厚度5mm，与整体塞棒通过过渡层连接，所述的过渡层为氮化硼-氧化锆-石墨材料，成型方式为一次性成型。

所述的圆柱形电极本体主要由电熔白刚玉和石墨组成，渣线主要有电熔氧化锆和石墨组成，其尺寸为高1500mm、直径70mm，在连铸过程中通过绝缘支架固定在中间包上方。

所述的整体塞棒和圆柱形电极需要进行加工处理：将不锈钢接线柱嵌入整体塞棒远离棒头端和圆柱形电极头部固定。

所述的外加电场为脉冲电流，其参数为电流强度50-200A、频率2-100KHz，占空比1/4-4/5。

因为本发明提出的一种防止整体塞棒结瘤的方法，通过同性相斥的作用力即荷正电的Al₂O₃夹杂物会在电场作用下定向移动，有效抑制了钢液中氧化铝夹杂向塞棒棒头移动，通过复合防结瘤内衬材料防止氧化铝夹杂在塞棒棒头附着和烧结，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；由于防结瘤层的材料不含有石墨，不会出现因钢液脱碳造成的壁面粗糙导致Al₂O₃夹杂物结瘤加速；氮化硼与氧化锆不与钢液润湿和不与氧化铝反应，抑制了氧化铝夹杂物的附着；利用铝硅合金高温自密封的特性，防止整体塞棒棒头处钢液中[Al]氧化为氧化铝；利用在整体塞棒棒头表面生成低熔点相防止氧化铝附着；本发明既可以保证棒头不结瘤，又可以提高棒头的耐冲刷性，提高塞棒的服役寿命。

附图说明

图1为本发明所述的一次性成型整体塞棒示意图。

图2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-钢液；2-中间包；3-浸入式水口；4-整体塞棒；5-脉冲电源；6-氧化铝碳材料；7-绝缘支架；8-渣线；9-本体；10-过渡层；11-防结瘤层。

具体实施方式

结合附图1、图2和具体实施例对本发明加以详细说明：

一种防止整体塞棒结瘤的方法，具体操作方法如下：

步骤1：需要预制整体塞棒和圆柱形电极，整体塞棒为一次性成型，本体为氧化铝碳材料，渣线为氧化锆碳材料，棒头内侧为氧化铝碳材料，过渡层为氮化硼-氧化锆-石墨材料（质量分数分别为30-60wt%、30-60wt%、10-15 wt %），外层为氮化硼-氧化锆材料（质量分数分别为30-70wt%、30-70wt%）。

步骤2：对整体塞棒和氧化铝碳材料进行简单加工：（1）要在整体塞棒和圆柱形电极上设置接线柱，便于电源线连接，用于提供电场；（2）对于整体塞棒，接线柱设置在棒身远离棒头的一侧；（3）对于圆柱形电极，接线柱设置在头部；（4）接线柱与整体塞棒和圆柱形电极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3：浇铸前，整体塞棒通过导线与脉冲电源正极相连；圆柱形电极固定在绝缘支架上，通过导线与脉冲电源负极相连。

步骤4：连铸开始，接通电源，施加脉冲电流强度为直50-200A（频率2-40KHz；占空比1/3-2/3），连铸结束断开电源。

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和材料耦合作为实施组。连铸前，将整体塞棒与电源正极相连，将圆柱形电极固定在绝缘支架上与电源负极相连。连铸开始，打开电源开关，连铸结束关闭电源开关。

整体塞棒棒头防结瘤层的成分30wt%氮化硼和70wt%氧化锆。提供脉冲电流，强度为50A，频率为20KHz，占空比2/3。

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20.0%；，连铸炉次由平均5炉提高到平均5.8炉，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和材料耦合作为实施组。连铸前，将整体塞棒与电源正极相连，将圆柱形电极固定在绝缘支架上与电源负极相连。连铸开始，打开电源开关，连铸结束关闭电源开关。

整体塞棒棒头防结瘤层的成分30wt%氮化硼和70wt%氧化锆。提供脉冲电流，强度为100A，频率为20KHz，占空比2/3。

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33.0%；，连铸炉次由平均5炉提高到平均6.2炉，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和材料耦合作为实施组；连铸前，将整体塞棒与电源正极相连，将圆柱形电极固定在绝缘支架上与电源负极相连。连铸开始，打开电源开关，连铸结束关闭电源开关。

整体塞棒棒头防结瘤层的成分30wt%氮化硼和70wt%氧化锆。提供脉冲电流，强度为200A，频率为20KHz，占空比2/3。

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40.0%；连铸炉次由平均5炉提高到平均6.5炉，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和材料耦合作为实施组。连铸前，将整体塞棒与电源正极相连，将圆柱形电极固定在绝缘支架上与电源负极相连。连铸开始，打开电源开关，连铸结束关闭电源开关。

整体塞棒棒头防结瘤层的成分30wt%氮化硼和70wt%氧化锆。提供脉冲电流，强度为200A，频率为40KHz，占空比2/3。

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46.0%；连铸炉次由平均5炉提高到平均7炉，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和材料耦合作为实施组。连铸前，将整体塞棒与电源正极相连，将圆柱形电极固定在绝缘支架上与电源负极相连。连铸开始，打开电源开关，连铸结束关闭电源开关。

整体塞棒棒头防结瘤层的成分50wt%氮化硼和50wt%氧化锆。提供脉冲电流，强度为200A，频率为400KHz，占空比2/3。

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44.0%；，连铸炉次由平均5炉提高到平均6.6炉，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和材料耦合作为实施组。连铸前，将整体塞棒与电源正极相连，将圆柱形电极固定在绝缘支架上与电源负极相连。连铸开始，打开电源开关，连铸结束关闭电源开关。

整体塞棒棒头防结瘤层的成分70wt%氮化硼和30wt%氧化锆。提供脉冲电流，强度为200A，频率为40KHz，占空比2/3。

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40.0%；，连铸炉次由平均5炉提高到平均6.1炉，钢坯中几乎未见大型夹杂物。

Claims (3)

1.一种防止整体塞棒结瘤的方法，其特征在于：在整体塞棒棒头复合一层氮化硼-氧化锆防结瘤层，所述的氮化硼-氧化锆防结瘤层配方为：氮化硼30-70wt%、氧化锆30-70 wt%，氧化锆为电熔氧化钙稳定氧化锆，外加添加剂是铝硅合金粉，添加量为4wt%，结合剂为酚醛树脂；在中间包放置一圆柱形电极；将整体塞棒棒头、圆柱形电极与脉冲电源相连，整体塞棒与电源正极相连，圆柱形电极与电源负极相连；施加电流为脉冲电流，电流大小为50-200A；通过外加电场抑制钢液中夹杂物向整体塞棒棒头迁移；利用氮化硼和氧化锆不与钢液润湿和不与氧化铝反应，并且具有高的耐冲刷性来抑制整体塞棒棒头处氧化铝的附着；利用铝硅合金高温自密封的特性，防止整体塞棒棒头处钢液中[Al]氧化为氧化铝；利用在整体塞棒棒头表面生成低熔点相防止氧化铝附着。

2.如权利要求1所述的一种防止整体塞棒结瘤的方法，其特征在于：氮化硼-氧化锆防结瘤层的厚度5mm，与整体塞棒通过过渡层连接，所述的过渡层为氮化硼-氧化锆-石墨材料，成型方式为一次性成型。

3.如权利要求1所述的一种防止整体塞棒结瘤的方法，其特征在于：所述的圆柱形电极本体主要由电熔白刚玉和石墨组成，渣线主要有电熔氧化锆和石墨组成，其尺寸为高1500mm、直径70mm，在连铸过程中通过绝缘支架固定在中间包上方。