連鑄中間包水口堵塞一直是困擾煉鋼廠的一個難題，對于它的研究已經(jīng)開展了30多年，然而該課題仍沒有很好地解決。堵塞是由鋼水中的固態(tài)微小夾雜物（尤其是Al2O3、TiO2和CaS）沉積引起。澆鑄時，Al2O3等非金屬夾雜在浸入式水口壁上逐漸形成，周期性地剝落帶入結(jié)晶器，使鑄坯中有害的大型夾雜物增加。此外，水口堵塞導(dǎo)致澆鑄提前結(jié)束，以致連澆爐數(shù)減少和降低連鑄機的生產(chǎn)率。盡管通過向塞棒、中間包水口和套管吹氬可以減少堵塞，但分散的非金屬夾雜和彎月面處的擾動仍會增加連鑄板坯的大型夾雜物的數(shù)量，因此影響產(chǎn)品的表面質(zhì)量。
在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)連鑄水口堵塞與品種、工藝有關(guān)，低碳、超低鋼比其他品種易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象；LF爐工藝發(fā)生水口堵塞現(xiàn)象后棒位上漲迅速，CAS、RH工藝發(fā)生水口堵塞現(xiàn)象后棒位上漲相對緩慢。京唐公司技術(shù)人員對連鑄水口堵塞原因進(jìn)行分析，對其堵塞機理有了一定的認(rèn)識，并提出了改善措施。
水口堵塞物的特征
通過大量收集典型易堵品種連鑄水口的堵塞圖片，對水口堵塞物、鋼水中非金屬夾雜物的成分以及組成進(jìn)行分析，以便弄清水口堵塞物的來源。
水口侵蝕只是造成水口堵塞的一個必要條件。觀察大量的廢棄水口，都有不同程度的侵蝕，但其中一部分水口的粘附層很薄，甚至沒有粘附層。這說明即使水口發(fā)生侵蝕，但只要鋼水中氧化夾雜物，特別是氧化鋁夾雜少，水口堵塞幾率就能大大降低。因此，盡量降低鋼水氧化性夾雜，并做好防止鋼水二次氧化工作，是降低水口結(jié)瘤率的關(guān)鍵。堵塞的水口由基體、中間反應(yīng)層、表面沉積層三部分組成。
低碳、超低鋼比其他品種易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，鋼水中硅含量、碳含量越低越易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，鋼水中鈦含量越高越易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。低碳和超低鋼水口堵塞最大的不同是超低鋼水口堵塞含有一定量的鋼（超低碳鋼堵塞嚴(yán)重水口見圖1）。
對典型的堵塞水口堵塞物進(jìn)行分析，低碳鋼LF工藝造成的堵塞物其主要是由高熔點氧化物組成，大多數(shù)是Al2O3，其中混有MgO·Al2O3（尖晶石），CaO—Al2O3系礦相及少量硅酸鹽。低碳鋼CAS、RH工藝造成的堵塞物其主要是由高熔點Al2O3組成。含Ti超低碳鋼水口堵塞物主要由Al2O3及其外部包裹著一定量的TiO2組成，并含有一定量的鋼。
水口堵塞形成的原理
堵塞的水口由基體、中間反應(yīng)層、表面沉積層三部分組成，目前許多研究普遍認(rèn)為水口堵塞形成的原因主要有以下四方面：
鋼中存在的氧化物向水口壁的傳輸：水口堵塞最重要的原因是鋼水中的固態(tài)夾雜物在水口壁上的沉積；固態(tài)夾雜物來源較多，如煉鋼及精煉過程中的脫氧產(chǎn)物、二次氧化產(chǎn)物、卷渣、化學(xué)反應(yīng)形成的固態(tài)夾雜物等。
水口接縫處的吸氣：水模型實驗和數(shù)值計算表明鋼水流經(jīng)滑動水口或塞棒后產(chǎn)生較大的負(fù)壓，極易造成空氣吸入；如空氣進(jìn)入水口，氧氣將和Al反應(yīng)生成氧化鋁夾雜；吸入的氧在水口壁產(chǎn)生表面張力，這種張力在水口壁上對鋼中夾雜物顆粒產(chǎn)生一種不可思議的吸附作用；Rackers計算得出：即使是導(dǎo)致增氮0.3ppm的較小氧氣吸入量產(chǎn)生的表面張力可以使一個10μm的顆粒以0.9m/s的速度向水口壁運動，這可能是在湍流程度較低的區(qū)域產(chǎn)生水口堵塞的主要機理。
水口耐火材料和鋼水之間的反應(yīng)：某些區(qū)域的堵塞從形貌上看是一層均勻的薄層，而不是顆粒的網(wǎng)狀燒結(jié)物，這種堵塞產(chǎn)生的原因是由于鋼中的Al和耐火材料中的氧反應(yīng)造成的；
SiO2（s）＋C＝SiO（g）＋CO
3SiO（g）＋2（Al）＝Al2O3（s）＋3（Si）
3CO（g）＋2（Al）＝Al2O3（s）＋3（C）
控制耐火材料的成分或在水口內(nèi)壁覆以各種材料，如純鋁質(zhì)材料等可以避免產(chǎn)生此類堵塞。鋼水含硅量高，可以阻止反應(yīng)的進(jìn)行。反之，水口堵塞幾率就會加大，生產(chǎn)低硅鋼SPHC容易水口結(jié)瘤就證明這一點。
鋼水在水口壁上的凝固：雖然通過水口耐火材料的熱損失很少，在開澆初期如果水口預(yù)熱不好，鋼水就會在水口壁凝固；在鋼水過熱度很小的情況下更有可能發(fā)生。
水口堵塞的主要影響因素
頂渣FeO+MnO對水口堵塞的影響。隨著FeO+MnO含量的升高水口堵塞率升高，LF工藝頂渣FeO+MnO含量＜1%時水口堵塞率較低，CAS、RH工藝頂渣FeO+MnO含量在5—10%水口堵塞率較低。
鈣處理效果對水口堵塞的影響。由于鋁鎮(zhèn)靜鋼經(jīng)LF精煉處理后鋼中S較低，這里不考慮S對Ca收得率的影響。經(jīng)過鈣處理，確保鋼中形成低熔點化合物C12A7，減少連鑄水口堵塞。實踐表明，控制喂入鈣在Ca/AlS=0.06—0.09時水口堵塞現(xiàn)象大幅度降低。
軟吹時間或純循環(huán)時間對水口堵塞的影響。軟吹時間大于8min，純循環(huán)時間大于6min水口堵塞率明顯降低。這是因為夾雜物上浮需要一定的時間。
低碳鋼調(diào)鈦時間水口堵塞的影響。調(diào)鋁后延緩調(diào)鈦時間與水口堵塞率降低，這是因為含Ti超低碳鋼的生產(chǎn)工藝為在RH脫碳結(jié)束后向鋼水中加入鋁來脫除過剩的溶解氧，鋁與鋼中的氧反應(yīng)形成Al2O3夾雜物與鋼水不潤濕，易在鋼水中碰撞簇集形成大顆粒夾雜物，從鋼水中上浮排除，隨后進(jìn)行Ti合金化，Ti與鋼中的過剩氧結(jié)合形成TiO2，其以Al2O3為核心，形成TiO2—Al2O3復(fù)合夾雜物。而且隨著鋼水中Ti含量的增加，TiO2—Al2O3數(shù)量增加。由于TiO2處于Al2O3夾雜物的外層，增加了Al2O3夾雜物與鋼水的潤濕作用，使Al2O3夾雜物碰撞絮集并從鋼水中上浮的能力減弱，從而使鋼水中夾雜物的尺寸降低，數(shù)量增加。TiO2—Al2O3復(fù)合夾雜物數(shù)量的增加加劇了其在浸入式水口內(nèi)壁粘結(jié)的機率。延緩調(diào)鈦時間，鋼中Al2O3夾雜物減少，形成TiO2—Al2O3復(fù)合夾雜物減少。
鋼水潔凈度對水口堵塞的影響。鋼水純凈度對水口堵塞率有較大的影響，降低水口堵塞率，首先要提高鋼水純凈度，要求ALS/ALT＞0.90%。
水口形狀對水口堵塞的影響。必須避免水口幾何形狀的突變，確保形成層流，減少紊流。水口內(nèi)表面的粗糙度大于0.3mm，可以完全破壞渦流邊界層的粘滯部分，粘滯層的保護(hù)作用消失。所以水口耐火材料的工作面必須盡可能地光滑，并在澆鑄過程中，不能破壞鋼液的連續(xù)性。經(jīng)過實踐發(fā)現(xiàn)圓形水口比方形或跑道形不易堵塞，同時水口內(nèi)壁制作工藝不標(biāo)準(zhǔn)易堵塞。
其它參數(shù)對水口堵塞的影響。通過實踐，發(fā)現(xiàn)RH升溫吹氧量，下渣檢測自動連鎖靈敏度，轉(zhuǎn)臺鎮(zhèn)靜，中間包鋼水增氮量，塞棒、上水口和板間背壓等，對降低水口堵塞率也都有顯著影響，水口堵塞是各種因素綜合作用產(chǎn)生的。
降低水口堵塞的措施
轉(zhuǎn)爐煉鋼：降低終點O含量（C控制、底吹強度、終點命中）；鋼包殘渣清理；出鋼嚴(yán)格擋渣，采用滑板擋渣；鋼包渣改質(zhì)。
爐外精煉：防止中后期加鋁調(diào)整Al，LF爐渣控制（堿度≧5，Al2O3：25—30%，F(xiàn)eO+MnO含量＜1%），CAS、RH工藝頂渣FeO+MnO含量在5—10%；軟吹時間大于8min，純循環(huán)時間大于6min，鈣處理效果鈣在Ca/AlS=0.06—0.09；超低碳鋼RH加鋁循環(huán)5min后加鈦，RH升溫吹氧量＜100m3。
連鑄：下渣檢測自動連鎖靈敏度10%，轉(zhuǎn)臺鎮(zhèn)靜大于10min，中間包鋼水增氮量＜3ppm，塞棒、上水口和板間背壓＞0.2bar，控制合理的吹氬流量，將跑道形水口改為圓形，水口保溫。
通過改進(jìn)后，因水口堵塞造成的斷澆次數(shù)由6—7次/月降低到目前的1次/月；單支浸入式水口的使用壽命由原來的平均120min延長到230min；夾雜物缺陷發(fā)生率由原來的0.9%降低到目前的0.3%。
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