CN117696877A - 表面具有低润湿性非晶保护膜的水口及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钢铁冶金连铸技术领域，具体为一种表面具有低润湿性非晶保护膜的水口及其制备方法，通过脉冲处理，改善了钢液和水口的界面反应，在水口表面形成了一层低润湿性的非晶保护膜，可以增大钢液和水口的接触角，使得夹杂物无法吸附在水口表面，防止钢液进一步侵蚀水口。且本发明通过对水口材质中的SiO2含量和钢液稀土含量进行控制，获得致密性好的低润湿性非晶保护膜。本发明制备方法步骤简洁、易于实施，制备的含有低润湿性非晶保护膜的水口的抗堵塞效果显著，能够替代传统附着涂层的水口，具有显著的实际应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁冶金连铸技术领域，具体为一种表面具有低润湿性非晶保护膜的水口及其制备方法和应用。
背景技术
耐火材料在冶金过程中起着极其重要的作用，例如由耐火材料制成的水口在连铸过程中承担着引导钢液从中间包进入结晶器中，不同浇铸过程中所要求的水口耐材和涂层种类也不相同，耐材及其表面涂层是保障钢液顺利浇铸的关键条件。尤其是稀土钢浇铸过程中，现有的耐材和涂层均无法避免被钢液冲刷侵蚀以及夹杂物在水口内壁的附着长大，从而导致钢液产生局部紊流，进一步加速夹杂物在该区域的富集长大，导致水口结瘤，浇铸过程被迫中断。同时，稀土钢等钢种浇铸的水口表面涂层制备步骤繁琐，成本高。近年来，随着电磁冶金技术的不断发展，利用脉冲电流调控界面反应成为热门研究方向。例如现有研究提出通过脉冲电流干预水口内壁与稀土钢液界面的侵蚀反应，提升水口内壁耐稀土钢液腐蚀性，并进一步阻碍钢液中夹杂物粘附水口内壁。还有研究认为钢液中Al2O3带正电，在钢液流经水口后与水口摩擦导致水口带负电，水口和钢液间的电势差提高，从而使界面润湿性也升高，在静电力作用下夹杂物定向迁移，从而导致水口堵塞。但是，如何从源头改善水口抗夹杂物粘附、抗钢液侵蚀的效果，现有技术中并没有给出很好的解决方案。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提出一种表面具有低润湿性非晶保护膜的水口及其制备方法和应用。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的制备方法，包括如下步骤：
S1、将水口完全浸入钢液中，并将两根电极插入钢液中对钢液进行脉冲处理；
S2、将脉冲处理后的水口取出，得到表面具有低润湿性非晶保护膜的水口。
作为本发明所述的一种表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，所述钢液含有稀土元素，且稀土元素含量为100～5000ppm。
作为本发明所述的一种表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，稀土元素为镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕中的一种或多种。
作为本发明所述的一种表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，水口材质为铝碳质、铝硅碳质、铝镁碳质、铝硅锆碳质、铝锆碳质中的一种。
作为本发明所述的一种表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，脉冲处理的参数为：电压为10～100V，脉冲频率为50Hz～60kHz，电流为10～300A，处理时间为10～100min。
作为本发明所述的一种表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，水口材质中的SiO2含量为5～30wt%；研究发现，水口材质中的SiO2含量和钢液稀土含量对低润湿性非晶保护膜的形成有影响，SiO2含量与钢液稀土含量越高，越有利于形成致密性好的低润湿性非晶保护膜，致密度≥90%。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种表面具有低润湿性非晶保护膜的水口，采用上述的表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的制备方法制备得到。
作为本发明所述的一种表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的优选方案，其中：所述低润湿性非晶保护膜的厚度为150～500μm，致密度≥90%。
作为本发明所述的一种表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的优选方案，其中：所述低润湿性非晶保护膜为Al-Si-O-RE相。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种上述的表面具有低润湿性非晶保护膜的水口在钢液连铸时的应用。
本发明的有益效果如下：
本发明提出一种表面具有低润湿性非晶保护膜的水口及其制备方法和应用，通过脉冲处理，改善了钢液和水口的界面反应，在水口表面形成了一层低润湿性的非晶保护膜，可以增大钢液和水口的接触角，使得夹杂物无法吸附在水口表面，防止钢液进一步侵蚀水口；且本发明制备方法步骤简洁、易于实施，制备的含有低润湿性非晶保护膜的水口的抗堵塞效果显著，具有显著的实际应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例1制备的具有低润湿性非晶保护膜的水口的部分照片；
图2为本发明实施例7制备的具有低润湿性非晶保护膜的水口的部分照片；
图3为本发明对比例1制备的水口的部分照片；
图4为本发明对比例2制备的水口的部分照片；
图5为本发明实施例1制备的具有低润湿性非晶保护膜的水口截面及常规涂层浇铸的水口截面的部分照片。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的制备方法，包括如下步骤：
S1、将水口完全浸入钢液中，并将两根电极插入钢液中对钢液进行脉冲处理；
S2、将脉冲处理后的水口取出，得到表面具有低润湿性非晶保护膜的水口。
本发明通过脉冲处理，改善了钢液和水口的界面反应，在水口表面形成了一层低润湿性的非晶保护膜，可以增大钢液和水口的接触角，使得夹杂物无法吸附在水口表面，防止钢液进一步侵蚀水口。
优选的，所述步骤S1中，所述钢液含有稀土元素，且稀土元素含量为100～5000ppm；稀土元素为镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕中的一种或多种。具体的，稀土元素含量可以为例如100ppm、200ppm、300ppm、400ppm、500ppm、1000ppm、2000ppm、3000ppm、4000ppm、5000ppm中的任意一者或任意两者之间的范围。
优选的，所述步骤S1中，本发明适用于现有的所有材质的水口，例如铝碳质、铝硅碳质、铝镁碳质、铝硅锆碳质、铝锆碳质中的任意一种。
优选的，所述步骤S1中，脉冲处理的参数为：电压为10～100V，脉冲频率为50Hz～60kHz，电流为10～300A，处理时间为10～100min。具体的，电压可以为例如10V、20V、30V、40V、50V、60V、70V、80V、90V、100V中的任意一者或任意两者之间的范围，脉冲频率可以为例如50Hz、100Hz、500Hz、1kHz、5kHz、10kHz、20kHz、30kHz、40kHz、50kHz、60kHz中的任意一者或任意两者之间的范围，电流可以为例如10A、20A、50A、100A、150A、200A、250A、300A中的任意一者或任意两者之间的范围，处理时间可以为例如10min、20min、30min、40min、50min、60min、70min、80min、90min、100min中的任意一者或任意两者之间的范围。
优选的，所述步骤S1中，水口材质中的SiO2含量为5～30wt%，具体的，水口材质中的SiO2含量可以为例如5wt%、7wt%、10wt%、15wt%、20wt%、25wt%、30wt%中的任意一者或任意两者之间的范围。水口材质中的SiO2含量和钢液稀土含量对低润湿性非晶保护膜的形成有影响，SiO2含量与钢液稀土含量越高，越有利于形成致密性好的低润湿性非晶保护膜，致密度≥90%；但是SiO2含量并不是越高越好，还需要考虑水口的性能，综合考虑，本发明水口材质中的SiO2含量为5～30wt%，同时，钢液稀土元素的含量也不是越高越好，还需要考虑钢液的性质，综合考虑，本发明钢液的稀土元素含量为100～5000ppm，进一步优选的，本发明钢液的稀土元素含量为500～5000ppm。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种表面具有低润湿性非晶保护膜的水口，采用上述的表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的制备方法制备得到。
优选的，所述低润湿性非晶保护膜的厚度为150～500μm，致密度≥90%。
优选的，所述低润湿性非晶保护膜为Al-Si-O-RE相。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种上述的表面具有低润湿性非晶保护膜的水口在钢液连铸时的应用。
以下结合具体实施例对本发明技术方案进行进一步说明。
实施例1
一种表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的制备方法，包括如下步骤：
S1、将SiO2含量为7wt%的铝碳质水口浸入稀土元素含量为500ppm钢液中，并将两根电极插入钢液中对钢液进行脉冲处理；脉冲处理的参数为：电压为20V，脉冲频率为20kHz，电流为250A，处理时间为80min。
S2、将脉冲处理后的水口取出，得到表面具有低润湿性非晶保护膜的水口。
本实施例制备的表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的低润湿性非晶保护膜的厚度为150～215μm，致密度为93%。取部分水口，其图片如图1所示，可见，水口表面形成了具有低润湿性非晶保护膜。
实施例2
一种表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的制备方法，包括如下步骤：
S1、将SiO2含量为10wt%的铝镁碳质水口浸入稀土元素含量为1200ppm钢液中，并将两根电极插入钢液中对钢液进行脉冲处理；脉冲处理的参数为：电压为20V，脉冲频率为10kHz，电流为250A，处理时间为100min。
S2、将脉冲处理后的水口取出，得到表面具有低润湿性非晶保护膜的水口。
本实施例制备的表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的低润湿性非晶保护膜的厚度为180～240μm，致密度为92%。
实施例3
一种表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的制备方法，包括如下步骤：
S1、将SiO2含量为20wt%的铝锆碳质水口浸入稀土元素含量为2000ppm钢液中，并将两根电极插入钢液中对钢液进行脉冲处理；脉冲处理的参数为：电压为15V，脉冲频率为10kHz，电流为300A，处理时间为80min。
S2、将脉冲处理后的水口取出，得到表面具有低润湿性非晶保护膜的水口。
本实施例制备的表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的低润湿性非晶保护膜的厚度为220～370μm，致密度为95%。
实施例4
一种表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的制备方法，包括如下步骤：
S1、将SiO2含量为25wt%的铝硅锆碳质水口浸入稀土元素含量为2000ppm钢液中，并将两根电极插入钢液中对钢液进行脉冲处理；脉冲处理的参数为：电压为18V，脉冲频率为5kHz，电流为180A，处理时间为50min。
S2、将脉冲处理后的水口取出，得到表面具有低润湿性非晶保护膜的水口。
本实施例制备的表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的低润湿性非晶保护膜的厚度为280～335μm，致密度为94%。
实施例5
一种表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的制备方法，包括如下步骤：
S1、将SiO2含量为30wt%的铝硅碳质水口浸入稀土元素含量为3000ppm钢液中，并将两根电极插入钢液中对钢液进行脉冲处理；脉冲处理的参数为：电压为36V，脉冲频率为20kHz，电流为300A，处理时间为30min。
S2、将脉冲处理后的水口取出，得到表面具有低润湿性非晶保护膜的水口。
本实施例制备的表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的低润湿性非晶保护膜的厚度为250～375μm，致密度为98%。
实施例6
一种表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的制备方法，包括如下步骤：
S1、将SiO2含量为30wt%的铝硅碳质水口浸入稀土元素含量为4000ppm钢液中，并将两根电极插入钢液中对钢液进行脉冲处理；脉冲处理的参数为：电压为30V，脉冲频率为30kHz，电流为250A，处理时间为20min。
S2、将脉冲处理后的水口取出，得到表面具有低润湿性非晶保护膜的水口。
本实施例制备的表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的低润湿性非晶保护膜的厚度为335～480μm，致密度为97%。
实施例7
一种表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的制备方法，包括如下步骤：
S1、将SiO2含量为30wt%的铝硅碳质水口浸入稀土元素含量为5000ppm钢液中，并将两根电极插入钢液中对钢液进行脉冲处理；脉冲处理的参数为：电压为100V，脉冲频率为60kHz，电流为200A，处理时间为10min。
S2、将脉冲处理后的水口取出，得到表面具有低润湿性非晶保护膜的水口。
本实施例制备的表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的低润湿性非晶保护膜的厚度为415～500μm，取部分水口，其图片如图2所示，可见，水口表面形成了具有低润湿性非晶保护膜，致密度为96%。
对比例1
与实施例1的不同之处在于，将SiO2含量为3wt%的铝碳质水口浸入稀土元素含量为500ppm钢液中。
本对比例制备的水口的表面涂层的厚度为143μm，取部分水口，其图片如图3所示，其致密度为83%。
对比例2
与实施例1的不同之处在于，将SiO2含量为7wt%的铝碳质水口浸入稀土元素含量为50ppm钢液中。
本对比例制备的水口的表面涂层的厚度为132μm，取部分水口，其图片如图4所示，其致密度为80%。
采用本发明实施例1制备的水口与常规的SiO2含量为20wt%的铝锆碳质涂层水口进行含Ce约400ppm不锈钢的连铸，浇铸1炉之后的水口图片如图5所示，图5中（a）为本发明实施例1制备的水口浇铸1炉之后的图片，图5中（b）为常规的涂层水口浇铸1炉之后的图片，由图5可以看出，本发明表面具有低润湿性非晶保护膜的水口改善了钢液和水口的界面反应，增大钢液和水口的接触角，使得夹杂物无法吸附在水口表面，防止钢液进一步侵蚀水口，抗堵塞效果显著。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将水口浸入钢液中，并将两根电极插入钢液中对钢液进行脉冲处理；
S2、将脉冲处理后的水口取出，得到表面具有低润湿性非晶保护膜的水口。
2.根据权利要求1所述的表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述钢液含有稀土元素，且稀土元素含量为100～5000ppm。
3.根据权利要求2所述的表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，稀土元素为镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，水口材质为铝碳质、铝硅碳质、铝镁碳质、铝硅锆碳质、铝锆碳质中的一种。
5.根据权利要求1所述的表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，水口材质中的SiO2含量为5～30wt%。
6.根据权利要求1所述的表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，脉冲处理的参数为：电压为10～100V，脉冲频率为50Hz～60kHz，电流为10～300A，处理时间为10～100min。
7.一种表面具有低润湿性非晶保护膜的水口，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的表面具有低润湿性非晶保护膜的水口的制备方法制备得到。
8.根据权利要求7所述的表面具有低润湿性非晶保护膜的水口，其特征在于，所述低润湿性非晶保护膜的厚度为150～500μm，致密度≥90%。
9.根据权利要求7所述的表面具有低润湿性非晶保护膜的水口，其特征在于，所述低润湿性非晶保护膜为Al-Si-O-Re相。
10.权利要求7-9任一项所述的表面具有低润湿性非晶保护膜的水口在钢液连铸时的应用。
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