一、研究的背景與問題
鋼鐵是國民經(jīng)濟重要的基礎原材料，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《關于促進鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導意見》，指出“加強高端關鍵鋼材品種冶金技術研發(fā)”是鋼鐵工業(yè)的重點任務。隨著我國能源、交通運輸、工程機械等行業(yè)的技術進步，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，必須對其更加嚴格控制。
連鑄工序浸入式水口的結瘤堵塞是導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結瘤堵塞不僅使其服役功能劣化，造成結晶器鋼液流場失穩(wěn)、結瘤物脫落及卷渣，導致鑄坯中大尺寸夾雜物增多影響鑄坯質(zhì)量，甚至因結瘤堵塞使水口服役失效造成連鑄中斷，嚴重影響效率。為解決該問題，除努力使鋼液潔凈化外，國內(nèi)外學者在優(yōu)化水口材質(zhì)、創(chuàng)新水口與塞棒結構、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)高效制造的共性關鍵技術難題，鋼鐵行業(yè)高度關注。
然而，關于水口結瘤堵塞，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？關于這些的研究幾乎沒有。相反，對于水口結瘤堵塞的研究往往假設氧化鋁夾雜物為電中性，也沒有關注水口高溫服役時是否荷電。
二、解決問題的思路與技術方案
多年來在國家自然科學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瘤并導致大型夾雜物產(chǎn)生而嚴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動力，基于物理學、電化學、缺陷化學、材料學、冶金學等多學科交叉融合，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)展并完善水口結瘤堵塞機理，創(chuàng)新抑制水口結瘤堵塞、大尺寸夾雜物去除新技術，并開展工業(yè)化應用技術研究。總體技術路線如圖1所示。
圖1 項目總體技術路線圖
三、主要創(chuàng)新性成果
通過上述基礎研究、技術創(chuàng)新和工業(yè)應用，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瘤的重要動力，發(fā)展和完善了水口結瘤機理，并打破鋼液中Al2O3夾雜物為電中性的傳統(tǒng)理念或假設；
2. 提出基于電場力抑制Al2O3夾雜物遷移新理念，創(chuàng)新構建電極化水口/塞棒，研制出高溫下大電流電場穩(wěn)定布施綠色冶金設備，發(fā)明正電場抑制水口、塞棒結瘤新技術。應用表明：有效抑制了塞棒漲棒，相同條件下與國外水口相比，結瘤層厚度降低≥30%，結晶器液面穩(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，構建中間包區(qū)域電場，發(fā)明電場力去除夾雜物新技術。應用表明：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%，鋼材組織結構潔凈化，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，由團簇狀或鏈狀轉變?yōu)镸nS或TiN所包覆，形成核殼結構的細小球狀的機理，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性能。
四、應用情況與效果
該成果已成功應用于寶鋼、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)中的浸入式水口結瘤、大尺寸夾雜物去除等關鍵共性技術難題方面成效顯著，專家委員會評價認為“項目成果總體技術水平國際領先”。
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)關鍵共性技術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
