摘    要：在钢铁实际生产过程中，浸入式水口结瘤会对结晶器流场的稳定性产生严重影响。这种现象不仅影响了连铸过程的顺利进行，还可能导致结瘤物剥落，从而降低铸坯质量。阐述了浸入式水口结瘤机制的研究现状，从优化水口结构、改变材质、提高钢液洁净度以及施加外部电场共4个方面总结了防止浸入式水口结瘤的措施，并对未来浸入式水口防结瘤方向进行了展望。

钢铁是国家重大建设所必需的基础材料，扮演着不可替代的关键角色。在钢铁冶炼过程中，钢液的纯净度是决定后续钢材成品性能的重要因素之一。连铸是钢铁冶炼的最后一道工序，该工序中浸入式水口位于中间包下方和结晶器上方[1]，发挥着关键的通道和调节钢水流动的作用，是连铸过程的核心控流元件。浸入式水口的主要功能包括防止钢液与空气接触发生二次氧化、促进夹杂物上浮、防止卷渣、净化钢液以及提高铸坯质量。与此同时，浸入式水口的性能还直接影响着钢液在洁净器内的流速和流场的分布[2]。因此，浸入式水口的服役可靠性对实现钢铁高质量、高效率、稳定和安全生产至关重要。然而，在生产某些高品质钢种过程中，如铝镇静钢[3]、稀土钢[4]、含钛钢[5]等，浸入式水口常发生结瘤、堵塞等现象。当浸入式水口发生结瘤时，主要有3大危害：1）钢液流速受影响从而导致生产效率降低，严重时水口完全堵塞，造成生产中断，发生事故；2）结晶器内流场紊乱，影响夹杂物上浮，造成铸坯夹渣等缺陷；3）结瘤物脱落进入结晶器，严重影响铸坯质量[6,7]。水口结瘤是一种非常复杂的现象，是诸多冶金物理化学过程共同作用、相互影响的结果。为此，重点阐述浸入式水口结瘤的形成机制，总结各种浸入式水口结瘤的防治措施，以便在此基础上提出更有针对性的改进方向，促进钢铁生产效率及铸坯产品质量提升的同时，降低生产成本。

1 水口结瘤位置及结瘤物结构

在铝脱氧钢的生产过程中，普遍会遇到水口结瘤问题。这种结瘤物在水口内壁的附着情况因位置而异，尤其在水口的出钢口处，结瘤现象最为显著[8]。这是因为此处截面和流向的突然变化，使得钢液的流场受到影响，与空气接触增多，可能产生涡流或滞流层，这种流场的不稳定性会导致夹杂物易在水口表面形成沉积，进而促使钢液中夹杂物在水口内壁形成表面反应层，导致更多的沉积，生成的夹杂物易在水口内壁上形成结瘤[9]。而在水口中部直筒处，流速较高，水口内壁受冲刷压力较小，且中部直筒处钢液流场比较稳定，因此此处夹杂物不容易聚集形成结瘤[10]。史永振等[11]在分析结瘤物的分布情况时发现，结瘤物在水口内壁附着比较均匀，结瘤物主要附着于水口出钢口处且结瘤物组织松散。

对结瘤物成分和结构的研究中发现，水口结瘤物普遍存在分层现象。王庆祥等[12]研究武汉钢铁集团公司第二炼钢厂水口堵塞情况时发现，水口结瘤物均为粉状夹杂物，结合SEM和能谱分析发现，结瘤物明显分为3层，如图1所示：第一层为不连续的金属层，这是由于浸入式水口在使用时插入结晶器中与钢水接触，钢水立即附着在水口内壁上而形成的；第二层是一层由水口耐火材料在使用过程中与钢水夹杂物反应生成的纯Al2O3沉积物层，这种沉积物层是由颗粒彼此附着并烧结而成，具有密实的结构，呈现出网络状堆积的特征，并具有一定的表面粗糙度，这层沉积物也是结瘤物开始形成的基础；第三层为大量松散聚集的Al2O3颗粒，尺寸在2~40 μm范围内，总体呈块状或片状，存在大量气孔的同时含有尺寸较大的金属颗粒。季莎等[13]在分析生产40Cr钢水口产生的结瘤物时发现，结瘤物层间结构清晰，其显微结构如图2所示，可观察到脱碳层、凝钢层以及夹杂物堆积层等。v

图1 铝碳质水口结瘤物的SEM照片  （a）金属层 （b）沉积物层 （c）粘附层

图2 水口结瘤物的SEM照片  

2 基于Al2O3夹杂物的水口结瘤机制

在钢液脱氧过程中，铝因具有成本低、脱氧能力强等优点而被广泛应用，因此生成的Al2O3夹杂物悬浮于钢液中，在流经浸入式水口阶段极易沉积附着于水口内壁形成结瘤物。一般将基于Al2O3夹杂物的水口结瘤分为夹杂物形成、夹杂物运动和夹杂物附着等3个阶段[14]。

2.1 Al2O3夹杂物的形成

2.1.1 钢液与空气接触二次氧化生成的Al2O3夹杂物

在使用过程中，由于水口内钢液流动产生负压，空气透过水口裂缝、接缝或多孔耐火材料吸入空气，使钢液发生二次氧化生成Al2O3夹杂[15]。Yokoya等[16]利用数值计算和水模型试验发现，增加滑动水口开放度可以增加滑动水口下方的压力，达到减少空气吸入的目的。然而，Suzuki等[17]通过直筒浸入式水口的浸渍试验研究，测量了通过水口的空气流速，并预测了渗透的空气对钢液形成的渗透率和氧化量。结果表明，钢水温度为1 853 K时，钢水从中间包转移到模具的过程中，通过耐火材料渗透的空气与钢水中的铝反应生产Al2O3夹杂，预测铝的浓度变化为每小时小于3.5×10-7。此外，涂有抗氧化涂层的耐火材料与未涂的耐火材料相比，可将渗透空气减少约2/3。因此，在正常使用条件下，由于空气渗入生成的Al2O3夹杂物并不是结瘤物中Al2O3的主要来源。

2.1.2 钢液温度降低促进Al2O3夹杂物的析出

Suzuki等[17]研究认为，即便在使用前进行加热处理，钢包和浸入式水口温度仍难以加热至钢液温度。同时水口上下部位与冷空气接触程度不同，出口处温度更低，当钢液通过浸入式水口后温度迅速降低，促进Al2O3夹杂物析出附着在水口内表面上，形成结瘤，直至堵塞水口。考虑温降析出的Al2O3夹杂物量远小于夹杂物总量，故温降也并非结瘤的主要原因[14]。

2.1.3 钢液与浸入式水口内壁反应生成的Al2O3夹杂物

当钢液通过浸入式水口时，钢液与含有石墨的水口耐火材料（如铝碳质水口），发生反应脱碳，钢液中的金属元素与耐火材料接触面处发生一系列反应[18]：

2C(s)+O2(g)=2CO(g)， （1）

3CO(g)+2[Al]=Al2O3(s)+3[C]，（2）

4[Al]+3O2(g)=2Al2O3，（3）

2[Ca]+O2(g)=2CaO，（4）

CaO+6Al2O3=CaO∙6Al2O3，（5）

CaO∙6Al2O3+2CaO=3CaO∙2Al2O3。（6）

而钢液中的稀土元素与水口中的Al2O3同样有类似的反应[19]：

2[Ce]+2Al2O3=2CeAlO3+2[Al]。

在水口内壁表面发生脱碳和钢液冲刷的共同作用下，水口内壁表面逐渐粗糙，这些反应生成的高熔点、高黏度的产物与水口内壁接触，由于存在减小表面能的倾向，故生成的夹杂物极易附着在粗糙表面上，形成一层致密的沉积物层，作为结瘤物发展的初始根基。

2.2 Al2O3夹杂物的运动

研究钢液中夹杂物的运动状态，对于控制Al2O3夹杂物向水口内壁迁移具有十分重要的意义。但由于在实际应用中钢液的高温环境，难以直观分析夹杂物的运动轨迹，故在实际研究中常利用数值模拟及水模拟等方法研究水口内钢液的流动状态和夹杂物颗粒的运动轨迹。

袁方明等[20]利用数值模拟的方法研究水口内的流场及相关条件与夹杂物附着速率之间的关系，结果表明，水口内壁各部位均有附着物，滑板周围和水口底部的结瘤情况较为严重，其他部位结瘤情况相对较轻，主要原因是出水口上沿处有钢液回旋区域且滑板底部由于钢液流速不对称，有明显的旋流区域，从动力学角度分析，这种流场紊乱的区域会促进夹杂物颗粒向水口内壁沉积附着。Zhang等[21]研究表明，较高的湍流能量和表面流速会从顶面带更多的夹杂物颗粒，更多较小的夹杂物进入钢中，同时水口内壁一侧若先出现结瘤物会加重水口内部流场紊乱的情况，引起水口内出现不对称的射流，且夹杂物倾向附着于水口出口及滑板下方。Yuan等[22]利用拉格朗日轨迹跟踪法模拟钢液中的粒子运动，同样发现钢液以非对称状态通过水口，夹杂物颗粒多数聚集与水口内的钢液回流区，主要沉积附着在水口的进口和出口处。当钢液流至水口的进口和出口处时，由于周围环境突变，引起流场突然变化形成回流区，回流区出现流动分离现象，流场紊乱形成强烈涡流，极大地增加了钢液中夹杂物颗粒向水口内壁耐材迁移的机会，使得在回流区极易形成结瘤物，同时水口内壁表面粗糙度增大，在生成的结瘤物达到一定高度时，水口内钢液流体的主流会在新结瘤物顶端产生涡流，水口内流场更加紊乱，加速结瘤物的产生和水口堵塞[14]。通过对流体流动和夹杂物运动进行计算发现[23]，夹杂物颗粒较小，接触界面粗糙度较大，钢液流速较慢，均会促进结瘤物的形成与长大，且由于水口内滞留区钢液流速较低，夹杂物颗粒更容易附着形成结瘤物[24]。

Yuan等[25,26]提出的双层电荷理论模型中，钢液通过浸入式水口时，钢液与水口内壁以及钢液内夹杂物颗粒相互摩擦，这导致基于摩擦荷电理论产生自由电荷，从而使得水口耐材和夹杂物颗粒荷电，并且由于静电力和流动切应力的共同作用形成双层电荷结构。Paik等[27,28]利用微分电位分析法验证了在金属液中，Al2O3、ZrO2等氧化物颗粒通过电子转移过程带正电荷，氧化物提供的多余电子在界面处产生弥散性双电层。此时夹杂物颗粒、钢液和水口耐火材料三者之间的结合和界面反应均会受到影响，静电场力会促使夹杂物与钢液分离。这一结果在Kim等[29]研究中得到验证，即SnO2、PbO等金属氧化物颗粒在液态锡中带正电荷，并且在金属液中受静电场力作用迁移，聚集在带负电荷表面的区域。李红霞等[30]针对性地研究了在≥1 500 ℃的高温钢液环境下水口内壁耐火材料与Al2O3夹杂物颗粒的荷电性，研究表明，在实际使用过程中，水口壁带负电，Al2O3夹杂物颗粒会在静电场力作用下向阴极移动，沉积附着在铝碳材料上，而且水口壁耐火材料带电量与拉坯速度呈正比，Al2O3颗粒沉积速度随电场强度增大而加快。

2.3 Al2O3夹杂物的附着

Barati等[31]提出了水口堵塞的瞬态模型，如图3，该模型描述了Al2O3夹杂物附着沉积生长形成结瘤物的过程：首先，在钢液流动状态下，夹杂物颗粒悬浮于钢液中；当钢液流入水口时，部分悬浮的夹杂物颗粒与水口内壁面接触，由于界面结合有降低界面能的倾向，Al2O3夹杂物颗粒与钢液不润湿，但颗粒间及与耐火材料间结合倾向强，夹杂物与耐材结合的界面能小于与钢液的界面能，因此夹杂物颗粒沉积附着在水口内壁面上；随后，夹杂物颗粒不断聚集生长，在高温烧结作用下形成结瘤物。上述过程与耐材表面粗糙度、温度以及夹杂物颗粒大小等因素息息相关。Uemura等[32]计算在钢液流速为1 m·s-1的流速条件下，钢液中两个半径为2 μm的夹杂物颗粒相互烧结过程中，仅需不到0.03 s，水口颈部即可生长到0.1 μm，此时烧结形成的结合体强度足以承受钢液流动所带来的应力冲击。

图3 夹杂物颗粒在水口内壁上附着模型示意图  

Sasai等[33]分析了钢液中Al2O3颗粒间的团聚和解离过程，Al2O3颗粒是否附着主要由结合力和脱附力的相对大小决定。结果表明，Al2O3颗粒间的结合力主要由范德华力、表面张力及钢液产生的液桥力等组成。其中液桥力是由钢液二次氧化时在Al2O3颗粒间形成液态FeO产生的，由液桥力产生的附着力远大于表面张力和范德华力。促进Al2O3颗粒团簇解离的脱附力主要包括浮力和钢液流动冲击产生的应力，而Al2O3颗粒间结合力要远大于脱附力，因此Al2O3颗粒一旦结合团聚形成团簇便很难解离。

3 优化措施

综合考虑结瘤物组分的来源及形成原因，目前减少水口结瘤的优化措施主要包括：优化水口结构、改变材质、提高钢液洁净度以及施加外部电场。

3.1 优化水口结构

3.1.1 水口外壁增加保温层

为了避免温降使得钢液中Al2O3夹杂物析出沉积，可在水口包壁外增加一层保温材料，减少钢液在流经水口阶段的热量流失。以铝碳质浸入式水口为例，在连铸过程中水口直接接触空气，若在水口外壁及水口渣线部位分别增加一层20和25 mm厚的纤维隔热材料，可将水口热导率由72 W·m-1·K-1降低至9.3 W·m-1·K-1，并将水口表面温度维持在1 430 ℃左右，极大减少了夹杂物因温降而析出的可能[34]。

3.1.2 采用阶梯环状水口

传统的浸入式水口内壁的直腔结构与钢液接触面大，钢液中的夹杂物颗粒与内壁耐火材料接触概率高，且钢液流至浸入式水口时环境变化剧烈，易产生回流区。在此情况下，钢液的流动分离现象比较严重，故在入水口和出水口处的过渡区域多采用圆角设计，改善钢水流动状态。另外可通过优化水口内腔结构和孔径来达到优化流场的目的。潘秀兰等[35]研究发现，在阶梯环束流作用下，阶梯环状式内腔水口内壁不会直接受钢液冲刷，可以在一定程度上减少Al2O3夹杂物附着。在实际生产中，在此基础上改进的双环状阶梯式水口效果更好。另外还有抛物线式底部水口[36]、旋流水口[37]、Mogul水口[38]等，其示意图[39]见图4，这些水口虽然均有减少结瘤的效果，但在实际装备和应用时仍存在较多问题。

图4 不同类型防结瘤浸入式水口[39]  

3.1.3 优化吹氩结构

在钢液流经浸入式水口阶段增加吹氩处理，是目前在实际生产中为减少水口结瘤使用的最广泛的方法之一，合理的吹氩工艺可以从以下几个方面来达到减少结瘤的目的[40,41]：1）均匀稳定的吹氩工艺可以在水口内壁表面形成一层连续且稳定的气膜，有效减少钢液及夹杂物颗粒与水口内壁接触，同时可以有效阻止钢液与耐材之间发生剧烈反应；2）合理的吹氩量可以平衡由于钢液高速流动引起的水口内负压情况，减少空气吸入量，避免钢液二次氧化；3）氩气泡可将水口内壁上的夹杂物吹落并使其上浮。因此需要结合实际工况严格控制吹氩量。同时，合理的吹氩结构可以取得更好的效果。研究表明[35]，塞棒和水口同时吹气的双吹气结构在气流分布效果和稳定程度上要远好于单一吹气的结构，可以发挥更好的防结瘤效果。

3.2 优化水口材质

浸入式水口由于恶劣的工作环境，必须具备足够的力学强度，优良的抗热震性、抗侵蚀性、耐磨性等性能，优化水口材质是减少水口结瘤及堵塞的有效方式。在实际生产中，针对所生产的钢种应采用相对应材质的水口。浸入式水口经历了从熔融石英质到铝碳质、再到铝碳-锆碳质复合以及复合防堵式的不断更新发展。针对熔融石英质水口耐蚀性差的问题，研究者开发了铝碳质浸入式水口并显著提高了抗侵蚀能力[42]。然而，随着连铸技术发展，浇铸速度加快，保护渣黏度降低，导致渣线蚀损加剧，铝碳质浸入式水口已无法满足需求。为应对上述问题，发展了铝碳-锆碳质复合浸入式水口，其材料具有更好的抗侵蚀性能，能够适应高速连铸的需求。然而，铝碳-锆碳质复合浸入式水口在浇铸铝镇静钢时容易发生堵塞，因此开发了新型的复合防堵塞浸入式水口，例如尖晶石质防堵塞浸入式水口表现出良好抑制Al2O3沉积的特性，在浇铸深冲钢、硅钢和超低碳钢及不锈钢等中均取得良好的效果[43]。

水口材质的优化主要从以下几个思路出发，即选择与钢液润湿性差、反应性差、与夹杂物颗粒结合倾向差的材质，以及反应生成的夹杂物为结合力弱的或低熔点的物质[44]。例如，在优化常用的铝碳质材料时，Nobuo等[45]将含Na2O的矿物加入铝碳材料中，利用β-Al2O3替代α-Al2O3，工作面在使用过程中，刚玉相析出并形成一层玻璃膜，起到抑制Al2O3夹杂物颗粒附着的作用。然而目前对水口材质的优化虽能增强防结瘤性能，但是均有成本高或降低水口耐用性等缺点，难以在实际生产中推广应用，且针对不同钢种不能只发展单一材质，应将防结瘤性能与其他性能综合考虑，研究多样化、复合化的材质，整体提高水口的使用性能[46]。

3.3 提升钢液洁净度

水口结瘤物中的组分主要来源于钢液中悬浮的Al2O3夹杂物，是结瘤物形成的物质基础，因此降低钢液中Al2O3夹杂物的含量可以有效缓解水口结瘤，同时还能够优化钢液流动性。在生产铝镇静钢等钢种时若钢液中Al2O3夹杂物含量过高，一般通过钙处理及控制铝的加入量来控制Al2O3含量。钙处理是利用将高熔点夹杂物转变为低熔点物质的原理来提高钢液的洁净度[47]，即在钢液中加入适量的Ca-Si线，Ca与Al2O3夹杂物结合生成低熔点的12CaO·7Al2O3。但钙处理过程需严格控制钙的加入量，以免生成更难以解决的(Ca，Mn)S[12]，加重水口结瘤现象。

3.4 施加外部电场

基于双层电荷理论模型基础，通过电磁场控制钢液在水口内旋转形成涡流，进而控制夹杂物运动以达到降低夹杂物沉积附着的概率[43]。戴文斌等[48]在研究水口结瘤堵塞的试验中，分别对浸入式水口和塞棒接负极与正极，同时施加低密度脉冲电流发现，水口内壁的夹杂物附着情况在施加脉冲电流后得以控制，水口内壁表面粗糙度较低，内壁平整，使用过程中能够保持水口内稳定的流场，能够有效提高水口使用寿命及抗结瘤性能。Miyagawa等[49]采用一种带空冷和电磁搅拌装置的浸入式水口，对水口施加磁通量为0.08 T的交变磁场，同时为了增加冷却表面，在水口外壁上刻10 mm深的环形沟槽。研究发现，钢液注流在电磁场作用下强烈搅拌，可以有效减少Al2O3和CaS等高熔点夹杂物附着在水杯内壁上，同时可以在较低过热度条件下增强钢液与水口内壁的传热。李德伟等[50]利用数值模拟，对浸入式水口内流场，温度场与旋流强度之间的关系进行分析发现，旋流速度与旋转磁场强度成正比，水口内最大可形成3 m·s-1的旋流，可有效缓解水口结瘤及堵塞。李红霞等[30]研究在钢厂实际连铸过程中外加电场，电源正极连接水口，电源负极连接整体塞棒，在连铸过程中全程通电。结果显示，施加外加电场的水口几乎未发生结瘤，明显好于未加电场的水口。

4 结语与展望

浸入式水口是连铸过程的核心控流元件，对连铸顺行和最终钢材品质具有重要影响。目前造成浸入式水口结瘤的原因往往是多方面的耦合作用。目前单一方面的技术优化手段未能完全解决水口结瘤的问题，为避免水口结瘤问题，还需从多角度同时入手：提高钢液洁净度，优化水口结构和材质，减少夹杂物与水口内壁的反应与附着，同时利用施加外场和水口吹氩来控制夹杂物的迁移。结合先进的科技制造和装备水平的提升，后续可着重从以下两个方面开展进一步研究：1）研发多重复合化水口材质及结构，充分发挥各种材料和结构的优势；2）深入研究不同钢种与不同耐火材料的摩擦荷电理论，完善外场对钢液中夹杂物运动状态的控制。（来源：中国知网）

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