高品質(zhì)鋼連鑄水口抗結(jié)瘤電磁調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用

一、研究的背景與問題稀土鋼、含鈦鋼、含硫鋼等高品質(zhì)鋼作為鐵路軌道、天然氣管道、盾構(gòu)機(jī)制造等國家支柱性產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)材料，關(guān)系到國家安全與人民生活保障，對材料產(chǎn)品的生產(chǎn)、質(zhì)量穩(wěn)定性提出了極為嚴(yán)苛的要求。但長期以來，受傳統(tǒng)理論、工藝技術(shù)及裝備水平限制，連鑄水口結(jié)瘤現(xiàn)象是國內(nèi)外高品質(zhì)鋼順行生產(chǎn)的絆腳石，嚴(yán)重縮短連鑄水口的使用壽命，是長期困擾連鑄工序的世界性難題！當(dāng)夾雜物移動到鋼水與水口界面處，易粘附在耐火材料表面并不斷地聚集，形成瘤狀物，誘發(fā)鋼水旋流、塞棒控制失穩(wěn)和結(jié)晶器液面波動等現(xiàn)象，嚴(yán)重時導(dǎo)致連鑄停澆的生產(chǎn)事故；同時，瘤狀物易從水口內(nèi)壁脫落進(jìn)入結(jié)晶器，形成大尺寸夾雜物，嚴(yán)重惡化產(chǎn)品性能。稀土鋼是工業(yè)上典型的難澆鑄鋼種，其原因是稀土加入鋼水后，易形成小尺寸、高密度的稀土夾雜物，堵塞澆注系統(tǒng)，連鑄過程被迫中斷，嚴(yán)重影響工藝順行。目前，相對于小方坯，易于澆鑄的稀土鋼板坯國內(nèi)外連鑄連澆最好水平為5爐，含鈦鋼板坯通常為2-3爐。因此，必須盡可能地高效調(diào)控夾雜物的遷移行為，抑制夾雜物在水口結(jié)瘤?，F(xiàn)有抑制水口堵塞技術(shù)，如保護(hù)澆鑄、預(yù)熱水口、改進(jìn)水口材質(zhì)、優(yōu)化水口結(jié)構(gòu)、吹氬攪拌等，或因工藝復(fù)雜、或因改進(jìn)效果不顯著，沒有很好解決水口堵塞現(xiàn)狀。歸根到底，解決水口結(jié)瘤的本質(zhì)是對夾雜物進(jìn)行有效驅(qū)動控制。目前，在熔體中控制夾雜物運(yùn)動的主要手段有三大類：渣洗法（小尺寸夾雜物不易去除，需要配合吹氣攪拌）、氣泡除雜（受限于夾雜物的尺寸與密度）、鈣處理改性（鈣的精準(zhǔn)添加量難以掌控）。以上控制手段主要利用了密度差異分離理論，但是夾雜物尺寸越小，布朗運(yùn)動越劇烈，傳統(tǒng)理論對夾雜物運(yùn)動行為是具有“選擇性”的，難以驅(qū)動這些小尺寸或與鋼液密度接近的夾雜物定向遷移（氧化鋁、氧化鈦、硫化物、稀土氧化物等），限制了連鑄連澆的順行。二、解決問題的思路與技術(shù)方案針對高品質(zhì)鋼制備對連鑄可澆性及夾雜物均勻化的需求，對高品質(zhì)鋼的連鑄水口抗結(jié)瘤工藝及裝備進(jìn)行了系統(tǒng)、全面的自主創(chuàng)新，從2012年10月開始，依托國家、省部級等重大項(xiàng)目，歷經(jīng)十年攻關(guān)，揭示了電磁場對連鑄過程中的多種類夾雜物定向遷移及均勻化調(diào)控的關(guān)鍵科學(xué)問題，解決了高品質(zhì)鋼連鑄水口結(jié)瘤的關(guān)鍵技術(shù)難題，為稀土鋼、含鈦鋼、含硫鋼等多種高品質(zhì)鋼連鑄水平的提升奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。自2020年起，項(xiàng)目開發(fā)的高品質(zhì)鋼連鑄水口抗結(jié)瘤電磁調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)在山東鋼鐵股份有限公司、包鋼鋼聯(lián)股份有限公司和攀鋼集團(tuán)西昌鋼釩有限公司得到成功推廣應(yīng)用。圖1研究思路及技術(shù)路線

總體研究思路及技術(shù)路線如圖1所示：主要是通過建立區(qū)別于利用傳統(tǒng)密度差異理論分離夾雜物的電流密度梯度定向遷移理論，結(jié)合麥克斯韋方程和朗道理論進(jìn)一步闡明脈沖電流作用下夾雜物驅(qū)動遷移的物理本質(zhì)；“從0到1”，理論指導(dǎo)實(shí)踐，分別對稀土鋼、含鈦鋼、含硫鋼、高鋁鋼等鋼種進(jìn)行夾雜物遷移行為控制，來驗(yàn)證脈沖電流驅(qū)動夾雜物技術(shù)在連鑄水口抗結(jié)瘤方面的可行性；同時，通過揭示脈沖電流作用下鋼液中夾雜物顆粒表面張力演化規(guī)律和對夾雜物均勻化的影響規(guī)律，開展水口內(nèi)部夾雜物碰撞、聚合的脈沖電流抑制行為研究，以實(shí)現(xiàn)鑄坯內(nèi)部夾雜物顆粒的彌散均勻化分布，改善高品質(zhì)鋼的疲勞壽命；最后，創(chuàng)建針對水口結(jié)瘤的可靠、實(shí)用脈沖電源和智能反饋系統(tǒng)，研發(fā)高品質(zhì)鋼連鑄可澆性及夾雜物均勻化電磁調(diào)控成套關(guān)鍵技術(shù)，在鋼鐵企業(yè)進(jìn)行推廣應(yīng)用。三、主要創(chuàng)新性成果該項(xiàng)目針對高品質(zhì)鋼制備對連鑄可澆性及夾雜物均勻化的需求，開發(fā)的“高品質(zhì)鋼連鑄水口抗結(jié)瘤電磁調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)”達(dá)到國際領(lǐng)先水平，其核心創(chuàng)新點(diǎn)包括：1、首次提出了脈沖電流作用下非金屬夾雜物的電流密度梯度定向驅(qū)動理論，突破了利用密度差異理論難以驅(qū)動小尺寸及接近熔體密度的夾雜物遷移的局限性，獨(dú)創(chuàng)了夾雜物在電場下的高效遷移技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對尺寸1μm以上的多種類夾雜物的定向遷移控制，打破了傳統(tǒng)手段對夾雜物運(yùn)動行為調(diào)控的“選擇性”限制。2、深度揭示了脈沖電流作用下水口內(nèi)壁耐材與鋼水的界面反應(yīng)機(jī)制，開發(fā)了脈沖電流抑制連鑄水口堵塞的新技術(shù)，國內(nèi)外首次應(yīng)用于連鑄過程抗水口結(jié)瘤，實(shí)現(xiàn)了稀土鋼小方坯連鑄連澆6爐以上，技術(shù)推廣至含鈦鋼、含硫鋼、高鋁鋼等多種高品質(zhì)鋼，解決了國際上公認(rèn)的高品質(zhì)鋼連鑄可澆性差的技術(shù)難題。3、揭示了脈沖電流作用下鋼液中夾雜物顆粒表面張力演化行為及其對夾雜物分布的影響規(guī)律，有效抑制了水口內(nèi)部夾雜物碰撞、聚合，穩(wěn)定控制了鑄坯內(nèi)部夾雜物顆粒的彌散均勻化分布，實(shí)現(xiàn)了鑄坯中粒徑≤10μm的夾雜物占比達(dá)90