一、研究的背景与问题
钢铁是国民经济重要的基础原材料，其发展方向是高端化、绿色化、智能化和高效化。工信部等三部委2022年发布《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》，指出“加强高端关键钢材品种冶金技术研发”是钢铁工业的重点任务。随着我国能源、交通运输、工程机械等行业的技术进步，对汽车板钢、轴承钢等钢的性能、品质提出更高要求。钢中主要非金属夹杂物氧化铝特别是大尺寸夹杂物，是劣化钢的塑性、韧性和抗疲劳性等性能的主要因素，必须对其更加严格控制。
连铸工序浸入式水口的结瘤堵塞是导致大尺寸氧化铝等非金属夹杂物产生的一个重要因素。连铸是钢铁生产的重要工艺，浸入式水口（以下简称水口）是确保高效连铸的最重要功能耐火材料部件，起控制钢液流量与流场、防止钢液二次氧化等重要作用，其服役的稳定性及寿命等对钢坯质量、连铸效率和制造流程连续协同发挥着重要作用。但在汽车板钢、轴承钢等钢种的连铸中，因钢液不宜钙处理，水口的Al2O3结瘤堵塞不仅使其服役功能劣化，造成结晶器钢液流场失稳、结瘤物脱落及卷渣，导致铸坯中大尺寸夹杂物增多影响铸坯质量，甚至因结瘤堵塞使水口服役失效造成连铸中断，严重影响效率。为解决该问题，除努力使钢液洁净化外，国内外学者在优化水口材质、创新水口与塞棒结构、改善保温、保护浇注、吹氩处理以及电磁场处理等方面开展了诸多的研究，并取得一定的效果，但随着钢材高端化与高质化发展，水口结瘤堵塞问题日益突出，成为困扰汽车板钢、轴承钢等高品质高效制造的共性关键技术难题，钢铁行业高度关注。
然而，关于水口结瘤堵塞，更多的研究聚焦在Al2O3是如何产生的，而对钢液中氧化铝夹杂物如何迁移至水口壁面、什么力驱动其迁移等的研究少且不充分。Paik等从双电层理论提出低温金属熔体中氧化物荷正电，那么高温钢液中形成氧化铝夹杂物是否荷电？此外，钢液流经水口材料是否也存在双电层、是否会因摩擦而荷电？它们的荷电特性是什么？又会对钢液中氧化铝夹杂物的运动产生什么影响？关于这些的研究几乎没有。相反，对于水口结瘤堵塞的研究往往假设氧化铝夹杂物为电中性，也没有关注水口高温服役时是否荷电。
二、解决问题的思路与技术方案
多年来在国家自然科学基金重点项目等的持续支持下，李红霞教授项目团队针对浸入式水口结瘤并导致大型夹杂物产生而严重影响连铸效率和钢的质量与性能的国际难题，独辟蹊径，聚焦钢液中主要夹杂物Al2O3向水口壁面迁移的驱动力，基于物理学、电化学、缺陷化学、材料学、冶金学等多学科交叉融合，开展了高温连铸过程服役水口、钢液中氧化铝夹杂物的荷电特性研究，基于高温荷电特性的科学发现，从静电力角度阐释夹杂物向水口迁移与沉积等行为，发展并完善水口结瘤堵塞机理，创新抑制水口结瘤堵塞、大尺寸夹杂物去除新技术，并开展工业化应用技术研究。总体技术路线如图1所示。
图1 项目总体技术路线图
三、主要创新性成果
通过上述基础研究、技术创新和工业应用，项目取得如下创新性突破：
1. 首次发现高温钢液中Al2O3夹杂物表面本征荷正电、连铸时服役水口荷负电的科学现象，揭示出电场力亦是钢液中Al2O3夹杂物向水口壁面迁移并致结瘤的重要动力，发展和完善了水口结瘤机理，并打破钢液中Al2O3夹杂物为电中性的传统理念或假设；
2. 提出基于电场力抑制Al2O3夹杂物迁移新理念，创新构建电极化水口/塞棒，研制出高温下大电流电场稳定布施绿色冶金设备，发明正电场抑制水口、塞棒结瘤新技术。应用表明：有效抑制了塞棒涨棒，相同条件下与国外水口相比，结瘤层厚度降低≥30%，结晶器液面稳定性显著改善，稳定连浇炉次提高20%-100%；
3. 阐明了电场力促进Al2O3夹杂物上浮至中间包覆盖剂内或吸附于负极材料的新机制，构建中间包区域电场，发明电场力去除夹杂物新技术。应用表明：中间包区域电场显著提高钢液洁净度，优化了夹杂物形貌，铸坯中＞5μm夹杂物数量下降≥25.3%，冷轧工序夹杂废次降级率降低≥45.3%，钢材组织结构洁净化，超低碳钢等的非比例延伸强度、抗拉强度等性能得到提高。
4. 明晰了电场作用下钢中Al2O3夹杂物，由团簇状或链状转变为MnS或TiN所包覆，形成核壳结构的细小球状的机理，因MnS等易变形，因此有利于减少钢材缺陷率下降并改善力学性能。
四、应用情况与效果
该成果已成功应用于宝钢、首钢、南钢等汽车板钢、轴承钢等规模化生产，社会经济效益显著。中国金属学会组织的专家委员会评价该项目成果原创性高、绿色高效，在解决制约钢铁高质高效生产中的浸入式水口结瘤、大尺寸夹杂物去除等关键共性技术难题方面成效显著，专家委员会评价认为“项目成果总体技术水平国际领先”。
本项目对钢液中Al2O3夹杂物荷正电的新认识，对高温熔体中夹杂物运动进行调控的创新研究思路，为高温冶金行业关键共性技术难题的解决提供了理论支撑，也可推动各类钢种（尤其是特钢）的夹杂物去除和高品质制造，以及促进高纯净度高温合金的制造具有重要意义。
来源：中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司，先进耐火材料全国重点实验室
