一、研究的背景與問題
鋼鐵是國民經(jīng)濟重要的基礎(chǔ)原材料，其發(fā)展方向是高端化、綠色化、智能化和高效化。工信部等三部委2022年發(fā)布《關(guān)于促進鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》，指出“加強高端關(guān)鍵鋼材品種冶金技術(shù)研發(fā)”是鋼鐵工業(yè)的重點任務(wù)。隨著我國能源、交通運輸、工程機械等行業(yè)的技術(shù)進步，對汽車板鋼、軸承鋼等鋼的性能、品質(zhì)提出更高要求。鋼中主要非金屬夾雜物氧化鋁特別是大尺寸夾雜物，是劣化鋼的塑性、韌性和抗疲勞性等性能的主要因素，必須對其更加嚴(yán)格控制。
連鑄工序浸入式水口的結(jié)瘤堵塞是導(dǎo)致大尺寸氧化鋁等非金屬夾雜物產(chǎn)生的一個重要因素。連鑄是鋼鐵生產(chǎn)的重要工藝，浸入式水口（以下簡稱水口）是確保高效連鑄的最重要功能耐火材料部件，起控制鋼液流量與流場、防止鋼液二次氧化等重要作用，其服役的穩(wěn)定性及壽命等對鋼坯質(zhì)量、連鑄效率和制造流程連續(xù)協(xié)同發(fā)揮著重要作用。但在汽車板鋼、軸承鋼等鋼種的連鑄中，因鋼液不宜鈣處理，水口的Al2O3結(jié)瘤堵塞不僅使其服役功能劣化，造成結(jié)晶器鋼液流場失穩(wěn)、結(jié)瘤物脫落及卷渣，導(dǎo)致鑄坯中大尺寸夾雜物增多影響鑄坯質(zhì)量，甚至因結(jié)瘤堵塞使水口服役失效造成連鑄中斷，嚴(yán)重影響效率。為解決該問題，除努力使鋼液潔凈化外，國內(nèi)外學(xué)者在優(yōu)化水口材質(zhì)、創(chuàng)新水口與塞棒結(jié)構(gòu)、改善保溫、保護澆注、吹氬處理以及電磁場處理等方面開展了諸多的研究，并取得一定的效果，但隨著鋼材高端化與高質(zhì)化發(fā)展，水口結(jié)瘤堵塞問題日益突出，成為困擾汽車板鋼、軸承鋼等高品質(zhì)高效制造的共性關(guān)鍵技術(shù)難題，鋼鐵行業(yè)高度關(guān)注。
然而，關(guān)于水口結(jié)瘤堵塞，更多的研究聚焦在Al2O3是如何產(chǎn)生的，而對鋼液中氧化鋁夾雜物如何遷移至水口壁面、什么力驅(qū)動其遷移等的研究少且不充分。Paik等從雙電層理論提出低溫金屬熔體中氧化物荷正電，那么高溫鋼液中形成氧化鋁夾雜物是否荷電？此外，鋼液流經(jīng)水口材料是否也存在雙電層、是否會因摩擦而荷電？它們的荷電特性是什么？又會對鋼液中氧化鋁夾雜物的運動產(chǎn)生什么影響？關(guān)于這些的研究幾乎沒有。相反，對于水口結(jié)瘤堵塞的研究往往假設(shè)氧化鋁夾雜物為電中性，也沒有關(guān)注水口高溫服役時是否荷電。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
多年來在國家自然科學(xué)基金重點項目等的持續(xù)支持下，李紅霞教授項目團隊針對浸入式水口結(jié)瘤并導(dǎo)致大型夾雜物產(chǎn)生而嚴(yán)重影響連鑄效率和鋼的質(zhì)量與性能的國際難題，獨辟蹊徑，聚焦鋼液中主要夾雜物Al2O3向水口壁面遷移的驅(qū)動力，基于物理學(xué)、電化學(xué)、缺陷化學(xué)、材料學(xué)、冶金學(xué)等多學(xué)科交叉融合，開展了高溫連鑄過程服役水口、鋼液中氧化鋁夾雜物的荷電特性研究，基于高溫荷電特性的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，從靜電力角度闡釋夾雜物向水口遷移與沉積等行為，發(fā)展并完善水口結(jié)瘤堵塞機理，創(chuàng)新抑制水口結(jié)瘤堵塞、大尺寸夾雜物去除新技術(shù)，并開展工業(yè)化應(yīng)用技術(shù)研究?？傮w技術(shù)路線如圖1所示。
圖1 項目總體技術(shù)路線圖
三、主要創(chuàng)新性成果
通過上述基礎(chǔ)研究、技術(shù)創(chuàng)新和工業(yè)應(yīng)用，項目取得如下創(chuàng)新性突破：
1. 首次發(fā)現(xiàn)高溫鋼液中Al2O3夾雜物表面本征荷正電、連鑄時服役水口荷負電的科學(xué)現(xiàn)象，揭示出電場力亦是鋼液中Al2O3夾雜物向水口壁面遷移并致結(jié)瘤的重要動力，發(fā)展和完善了水口結(jié)瘤機理，并打破鋼液中Al2O3夾雜物為電中性的傳統(tǒng)理念或假設(shè)；
2. 提出基于電場力抑制Al2O3夾雜物遷移新理念，創(chuàng)新構(gòu)建電極化水口/塞棒，研制出高溫下大電流電場穩(wěn)定布施綠色冶金設(shè)備，發(fā)明正電場抑制水口、塞棒結(jié)瘤新技術(shù)。應(yīng)用表明：有效抑制了塞棒漲棒，相同條件下與國外水口相比，結(jié)瘤層厚度降低≥30%，結(jié)晶器液面穩(wěn)定性顯著改善，穩(wěn)定連澆爐次提高20%-100%；
3. 闡明了電場力促進Al2O3夾雜物上浮至中間包覆蓋劑內(nèi)或吸附于負極材料的新機制，構(gòu)建中間包區(qū)域電場，發(fā)明電場力去除夾雜物新技術(shù)。應(yīng)用表明：中間包區(qū)域電場顯著提高鋼液潔凈度，優(yōu)化了夾雜物形貌，鑄坯中＞5μm夾雜物數(shù)量下降≥25.3%，冷軋工序夾雜廢次降級率降低≥45.3%，鋼材組織結(jié)構(gòu)潔凈化，超低碳鋼等的非比例延伸強度、抗拉強度等性能得到提高。
4. 明晰了電場作用下鋼中Al2O3夾雜物，由團簇狀或鏈狀轉(zhuǎn)變?yōu)镸nS或TiN所包覆，形成核殼結(jié)構(gòu)的細小球狀的機理，因MnS等易變形，因此有利于減少鋼材缺陷率下降并改善力學(xué)性能。
四、應(yīng)用情況與效果
該成果已成功應(yīng)用于寶鋼、首鋼、南鋼等汽車板鋼、軸承鋼等規(guī)?；a(chǎn)，社會經(jīng)濟效益顯著。中國金屬學(xué)會組織的專家委員會評價該項目成果原創(chuàng)性高、綠色高效，在解決制約鋼鐵高質(zhì)高效生產(chǎn)中的浸入式水口結(jié)瘤、大尺寸夾雜物去除等關(guān)鍵共性技術(shù)難題方面成效顯著，專家委員會評價認為“項目成果總體技術(shù)水平國際領(lǐng)先”。
本項目對鋼液中Al2O3夾雜物荷正電的新認識，對高溫熔體中夾雜物運動進行調(diào)控的創(chuàng)新研究思路，為高溫冶金行業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)難題的解決提供了理論支撐，也可推動各類鋼種（尤其是特鋼）的夾雜物去除和高品質(zhì)制造，以及促進高純凈度高溫合金的制造具有重要意義。
來源：中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司，先進耐火材料全國重點實驗室
