CN112658241B - 一种通过施加界面电场防止稀土钢水口脱碳及反应行为的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及连铸领域，具体涉及一种通过施加界面电场防止稀土钢水口脱碳及反应行为的方法。本方法具体包括步骤(1)提前将高温导线均匀的埋入水口内部；(2)再连接电源；(3)水口在线预热烘烤；(4)插入锆碳质耐材棒形成闭合回路；(5)全程通电处理，构建界面电场。利用本发明所述方法不仅可以有效地抑制含碳水口材料的脱碳行为，同时还可以有效地抑制水口与稀土等活泼合金元素间的反应。在有效地保护水口材料不被破坏的同时也避免了水口内壁出现结瘤的问题。

Description

一种通过施加界面电场防止稀土钢水口脱碳及反应行为的 方法

技术领域

本发明涉及连铸领域，具体涉及一种通过施加界面电场防止稀土钢水口脱碳及反应行为的方法。

背景技术

连铸工艺的大规模推广和普及使得钢铁冶金的整体生产效率得到了显著的提升。随着连铸工艺的逐渐成熟完善，越来越多的钢种也已经由最初传统的模铸生产转型为高效的连铸生产。

但在实际的连铸过程中，钢中夹杂物及钢液自身会不断地在水口内壁发生粘附和反应行为，并且钢中一些活泼的合金元素也会与水口材料发生强烈的化学反应进而导致结瘤速度加快。例如：稀土在钢中具有比铝更强的脱氧能力和可以使夹杂物得到改性等特点，使得稀土钢的质量与性能都会更优于传统的铝镇静钢。因此，在很多高端钢材的冶炼过程中，均会添加一些稀土来提升钢材质量。但是在目前稀土钢冶炼过程中，稀土金属及其稀土类夹杂物极易在水口壁面发生粘附与反应而造成水口结瘤堵塞。这就会导致水口内部的流场出现变化，严重地影响钢液的流动轨迹以及钢液的流动状态。不仅极大地影响钢材的最终质量，同时也制约了稀土钢的产量和发展。

但目前，现有的常规水口结瘤解决方案多是通过调整冶炼过程的工艺参数、吹Ar保护、改变水口形状、钙化处理、加含锆渣线等改变材料的方式来防止结瘤的产生。但是这些解决方式在实际的稀土钢连铸生产中收效甚微，并且稀土收得率极低的现状也没有改变。尤其是稀土喂加量过高时，稀土元素与水口间的反应行为更加无法控制。而造成这一现状的根本原因就是因为稀土元素与水口间的反应行为无法得到抑制。此外，无论是长水口还是浸入式水口，它们都属于含碳耐火材料。在连铸过程中，由于碳元素会不断发生脱碳行为而使得水口内壁逐渐变得粗糙，也会促进稀土及其夹杂物更容易与水口发生接触与反应。成为影响水口安全高效服役的又一大隐患。

对于稀土金属而言，由于其自身具有极强的氧化能力，极易于水口中的材料发生反应生产稀土类化合物，进而形成结瘤。这种结瘤物表面粗糙，极易使钢中的稀土及其夹杂物还会不断的在之前所生成的的结瘤物上发生粘附及反应行为，从而使稀土结瘤物不断长大。而常规的钢种结瘤原因主要就是由于相关夹杂物在水口内壁的粘附和聚集所导致。

因此，如能开发出一种在连铸生产过程中可以有效地保护水口结构性和功能性以防止水口出现脱碳以及反应的技术方法，已变成了制约和限制稀土在连铸过程中广泛应用以及提升稀土钢连铸生产质量的关键。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种通过施加界面电场防止稀土钢水口脱碳及反应行为的方法。利用本发明所述方法不仅可以有效地抑制含碳水口材料的脱碳行为，同时还可以有效地抑制水口与稀土等活泼合金元素间的反应，在有效地保护水口材料不被破坏的同时也避免了水口内壁出现结瘤的问题。

本发明的具体技术方案如下：

一种通过施加界面电场防止稀土钢水口脱碳及反应行为的方法，按以下步骤进行：

(1)预先将高温导线均匀的埋入水口内部：在生产水口时提前将高温导线均匀地插入水口内部，待压制成型后直接获得内埋导线的特制水口；

(2)连接电源：将预先埋入水口内部的高温导线与外延导线的一端进行连接固定，外延导线另一端连接电源的正极，电源的负极通过外延导线与锆碳质耐材棒进行连接。

(3)在连铸浇铸前对步骤(2)连接好的水口进行在线预热烘烤。

(4)在连铸时将锆碳质耐材棒垂直插入钢液内部使其与水口间形成一个完整的闭合回路；

(5)构建界面电场：在浇铸过程中，全程向水口内壁施加一个稳定的正向电场，防止水口脱碳、侵蚀以及结瘤反应的发生。

进一步的，上述的一种通过施加界面电场防止稀土钢水口脱碳及反应行为的方法，步骤(1)所述水口包括长水口和浸入式水口，材质为含碳材质的耐火材料，包括铝碳质、镁碳质或锆碳质。

进一步的，上述的一种通过施加界面电场防止稀土钢水口脱碳及反应行为的方法，步骤(1)所述高温导线直径为1.0-3.0mm，材质为具有较高熔点的金属材质，包括金属铂、金属钼、金属钽或金属铁，优选金属钼；高温导线埋入深度应距离水口外壁0.5-1.5cm。

进一步的，上述的一种通过施加界面电场防止稀土钢水口脱碳及反应行为的方法，步骤(2)所述外延导线为铁质或者铜质金属导线。

进一步的，上述的一种通过施加界面电场防止稀土钢水口脱碳及反应行为的方法，步骤(2)所述锆碳质耐材棒直径≥3cm，锆碳质耐材棒中氧化锆的含量≥70％，石墨的含量≥20％。

进一步的，上述的一种通过施加界面电场防止稀土钢水口脱碳及反应行为的方法，步骤(4)所述锆碳质耐材棒插入深度为越过保护渣，插入钢液5-10cm；选用长水口时，锆碳质耐材棒插入设备为中间包，选用浸入式水口时，锆碳质耐材棒插入设备为结晶器。

进一步的，上述的一种通过施加界面电场防止稀土钢水口脱碳及反应行为的方法，步骤(5)所述的电场采用脉冲电场或稳定直流电场，优选脉冲电场；输出电压不高于36V，输出电流根据所添加的稀土种类与含量控制在2A-200A之间；当采用脉冲电场时，脉冲频率在1000Hz-50000Hz之间。

进一步的，上述的一种通过施加界面电场防止稀土钢水口脱碳及反应行为的方法，步骤(1)预先将高温导线均匀的埋入水口内部的方式还可以是对已经成型的水口外壁进行开槽处理：在水口顶部10cm以下至水口渣线以上进行均匀对称开槽后埋入导线，之后用含碳的高温粘结剂对凹槽进行密封后再包裹耐火棉进行密封。

本发明的有益效果为：

本发明所述技术方法可以使整个水口—钢液—锆碳质耐材棒构成了一个稳定的回路，在通电过程时，本发明所述方法可以令水口壁面形成一个稳定的正电场，虽然这种稳定的电场无法直接阻止水口材料与稀土元素间的化学反应行为，但是在本发明特定电场参数的调控下，新生成的反应物会更加的稳定和牢固，进而使得水口内壁会形成一个全新的轻薄、稳定、均匀且致密的稀土结瘤保护层。一方面，这层保护层可以有效地阻止水口内部石墨等碳元素向钢液内部的渗透、溶解以及氧化行为的发生；另一方面，这层保护层具有良好的化学稳定性并且在正电场的作用下，它并不会与钢中的稀土合金、稀土类夹杂物以及其他种类的夹杂物间再发生任何化学反应，而且夹杂物的粘附现象也会得到降低，即使出现夹杂物的粘附，也会在电场的作用下使得粘附物变得更加均匀和稳定，并不会像未加正电场时夹杂物粘附在水口壁面过程中导致表面粗糙度极大，且容易被二次冲刷脱落的现象发生，也不会出现由于水口内部粘附和反应较多后所形成的结瘤物结构相对疏松、表面粗糙度极大等特征等现象。这也使得在电场调控和保护下的水口自身的反应效果与结瘤速率均得到了显著的降低和改善，不会再出现和现有生产条件一样，在未加电场时稀土不断的与水口内壁及其稀土结瘤物发生反应以及稀土结瘤物厚度不断增长直至水口完全堵塞的现象发生，有效地保障连铸的正常顺行。

具体实施方式

一种通过施加界面电场防止稀土钢水口脱碳及反应行为的方法，按以下步骤进行：

(1)预先将高温导线均匀的埋入水口内部：在生产水口时提前将高温导线均匀地插入水口内部，待压制成型后直接获得内埋导线的特制水口；或者是对已经成型的水口外壁进行开槽处理：在水口顶部10cm以下至水口渣线以上进行均匀对称开槽后埋入导线，之后用含碳的高温粘结剂对凹槽进行密封后再包裹耐火棉进行密封。水口包括长水口和浸入式水口，材质为碳材质，包括铝碳质、镁碳质或锆碳质。高温导线直径为1.0-3.0mm，材质为具有较高熔点的金属材质，包括金属铂、金属钼、金属钽或金属铁，优选金属钼；高温导线埋入深度应距离水口外壁0.5-1.5cm。

(2)连接电源：将预先埋入水口内部的高温导线与外延导线的一端进行连接固定，外延导线另一端连接电源的正极，电源的负极通过外延导线与锆碳质耐材棒进行连接。所述锆碳质耐材棒直径≥3cm，锆碳质耐材棒中氧化锆的含量≥70％，石墨的含量≥20％；所述外延导线为铁质或者铜质金属导线。

(3)在连铸浇铸前对步骤(2)连接好的水口进行适度的在线预热烘烤。

(4)在连铸时将锆碳质耐材棒垂直插入钢液内部使其与水口间形成一个完整的闭合回路；所述锆碳质耐材棒插入深度为越过保护渣，插入钢液5-10cm；选用长水口时，锆碳质耐材棒插入设备为中间包，选用浸入式水口时，锆碳质耐材棒插入设备为结晶器。

(5)构建界面电场：在浇铸过程中，全程向水口内壁施加一个稳定的正向电场，防止水口脱碳以及反应。所述的电场采用脉冲电场或稳定直流电场，优选脉冲电场；输出电压不高于36V，输出电流根据所添加的稀土种类与含量控制在2A-200A之间；当采用脉冲电场时，脉冲频率在1000Hz-50000Hz之间。

实施例1

本实施例选择某大方坯稀土钢连铸为实验对象。浇铸钢种的主要成分如下表1所示，喂加稀土含量为0.1％的稀土铈。

表1钢种主要成分

元素	C	Si	Mn	P	S
						含量(％)	0.95-1.05	0.15-0.30	0.25-0.45	≤0.015	≤0.002

在实验过程中，选取原始浇铸过程中结瘤严重的铝碳质浸入式水口为调控对象。首先，将已经成型的浸入式水口外壁进行开槽处理，开槽方式为在水口顶部10cm以下至水口渣线以上进行均匀对称开槽后埋入导线，其中导线材质为金属钼，导线的埋入深度应距离水口外壁1.0cm，高温导线直径为1.5mm，之后用含碳的高温粘结剂对凹槽进行密封后再包裹耐火棉进行密封。之后将水口上的预埋导线与外延导线的一段进行连接固定，外延导线另一端连接电源的正极。而电源的负极则是通过外延导线将其与锆碳质耐材棒进行连接。其中外延导线为铁质金属导线，锆碳质耐材棒直径为4cm，锆碳质耐材棒中氧化锆含量为72.35％，石墨含量为25.01％。待连接完成后，将连接好的水口进行在线预热烘烤。等待连铸开始时，再将锆碳质耐材棒垂直插入结晶器内的钢液内部使其与水口间可以形成一个完整的闭合回路。其中锆碳质耐材棒插入深度越过保护渣，插入钢液5cm。并且在浇铸过程中，向水口内壁施加一个稳定的正向脉冲电场，防止水口脱碳以及反应。其中脉冲电场的输出电压为15V，脉冲频率在15000Hz，输出电流为50A。

浇铸过程中均未出现任何异常。待浇铸完成后，将水口取出进行取样观察。水口内壁相对致密且光滑，水口内部也未出现明显的水口结瘤现象。并且对铸坯质量检测时未发现任何质量问题。

实施例2

本实施例选择某方坯稀土不锈钢连铸为实验对象。浇铸钢种的主要成分如下表2所示，喂加稀土含量为0.2％的稀土铈。

表2钢种主要成分

元素

C

Si

Mn

P

S

Cr

含量(％)

0.15-0.25

0.60-0.70

0.35-0.40

≤0.02

≤0.02

12.5-13.0

在实验过程中，选取原始浇铸过程中结瘤严重的铝锆碳质长水口为调控对象。首先，在生产水口时提前将导线均匀的插入，待压制成型后直接获得内埋导线的特制水口。其中导线材质为金属钼，导线的埋入深度应距离水口外壁1.3cm，高温导线直径为2mm。之后将水口上的预埋导线与外延导线的一段进行连接固定，外延导线另一端连接电源的正极。而电源的负极则是通过外延导线将其与锆碳质耐材棒进行连接。其中外延导线为铁质金属导线，锆碳质耐材棒直径为5cm，锆碳质耐材棒中氧化锆含量为75％，石墨含量为22.37％。待连接完成后，将连接好的水口进行在线预热烘烤。等待连铸开始时，再将锆碳质耐材棒垂直插入中间包内的钢液内部使其与水口间可以形成一个完整的闭合回路。其中锆碳质耐材棒插入深度越过保护渣，插入钢液6.5cm。并且在浇铸过程中，向水口内壁施加一个稳定的正向脉冲电场，防止水口脱碳以及反应。其中脉冲电场的输出电压为25V，脉冲频率在20000Hz，输出电流为100A。

浇铸过程中均未出现任何异常。待浇铸完成后，将水口取出进行取样观察。水口内壁相对致密且光滑，水口内部也未出现明显的水口结瘤现象。并且对铸坯质量检测时未发现任何质量问题。

实施例3

本实施例选择某板坯稀土钢连铸为实验对象。浇铸钢种的主要成分如下表3所示，喂加稀土含量为0.075％的稀土铈。

表3钢种主要成分

元素	C	Si	Mn	P	S
						含量(％)	0.15-0.25	0.35-0.45	1.80-1.90	≤0.03	≤0.02

在实验过程中，选取原始浇铸过程中结瘤严重的铝碳质浸入式水口为调控对象。首先，将已经成型的浸入式水口外壁进行开槽处理，开槽方式为在水口顶部10cm以下至水口渣线以上进行均匀对称开槽后埋入导线，其中导线材质为金属钼，导线的埋入深度应距离水口外壁0.8cm，高温导线直径为2mm。之后用含碳的高温粘结剂对凹槽进行密封后再包裹耐火棉进行密封。之后将水口上的预埋导线与外延导线的一段进行连接固定，外延导线另一端连接电源的正极。而电源的负极则是通过外延导线将其与锆碳质耐材棒进行连接。其中外延导线为铁质金属导线，锆碳质耐材棒直径为3.5cm，锆碳质耐材棒中氧化锆含量为73.11％，石墨含量为23.88％。待连接完成后，将连接好的水口进行在线预热烘烤。等待连铸开始时，再将锆碳质耐材棒垂直插入结晶器内的钢液内部使其与水口间可以形成一个完整的闭合回路。其中锆碳质耐材棒插入深度越过保护渣，插入钢液5.5cm。并且在浇铸过程中，向水口内壁施加一个稳定的正向直流电场，防止水口脱碳以及反应。其中直流电场的输出电压为30V，输出电流为115A。

浇铸过程中均未出现任何异常。待浇铸完成后，将水口取出进行取样观察。水口内壁相对致密且光滑，水口内部也未出现明显的水口结瘤现象。并且对铸坯质量检测时未发现任何质量问题。

Claims (3)

1.一种通过施加界面电场防止稀土钢水口脱碳及反应行为的方法，其特征在于，按以下步骤进行：

(1)预先将耐高温导线均匀的埋入水口内部：在生产水口时提前将耐高温导线均匀地插入水口内部，待压制成型后直接获得内埋导线的特制水口；所述耐高温导线直径为1.0-3.0mm，材质为金属材质，包括金属铂、金属钼、金属钽或金属铁；耐高温导线埋入深度应距离水口外壁0.5-1.5cm；

(2)连接电源：将预先埋入水口内部的耐高温导线与外延导线的一端进行连接固定，外延导线另一端连接电源的正极，电源的负极通过外延导线与锆碳质耐材棒进行连接；所述锆碳质耐材棒直径≥3cm，锆碳质耐材棒中氧化锆的含量≥70％，石墨的含量≥20％；

(3)在连铸浇铸前对步骤(2)连接好的水口进行在线预热烘烤；

(4)在连铸时将锆碳质耐材棒垂直插入钢液内部使其与水口间形成一个完整的闭合回路；所述锆碳质耐材棒插入深度为越过保护渣，插入钢液5-10cm；选用长水口时，锆碳质耐材棒插入设备为中间包，选用浸入式水口时，锆碳质耐材棒插入设备为结晶器；

(5)构建界面电场：在浇铸过程中，全程向水口内壁施加一个稳定的正向电场，防止水口脱碳、侵蚀以及结瘤反应的发生；这种稳定的电场无法直接阻止水口材料与稀土元素间的化学反应行为，但是在特定电场参数的调控下，新生成的反应物会更加的稳定和牢固，进而使得水口内壁会形成一个轻薄、稳定、均匀且致密的稀土结瘤保护层；一方面，这层保护层阻止水口内部碳元素向钢液内部的渗透、溶解以及氧化行为的发生；另一方面，这层保护层在正电场的作用下，它并不会与钢中的稀土合金、稀土类夹杂物间再发生任何化学反应；所述的电场采用脉冲电场或稳定直流电场，所述特定电场参数为输出电压不高于36V，输出电流根据所添加的稀土种类与含量控制在2A-200A之间；当采用脉冲电场时，脉冲频率在1000Hz-50000Hz之间。

2.根据权利要求1所述的一种通过施加界面电场防止稀土钢水口脱碳及反应行为的方法，其特征在于，步骤(1)所述水口为长水口或浸入式水口，材质为含碳材质的耐火材料，包括铝碳质、镁碳质或锆碳质。

3.根据权利要求1所述的一种通过施加界面电场防止稀土钢水口脱碳及反应行为的方法，其特征在于，步骤(2)所述外延导线为铁质或者铜质金属导线。