钢铁是国民经济重要的基础原材料，高端化、绿色化、智能化和高效化是其发展方向。随着我国能源、交通、工程机械等行业的技术进步，对汽车板钢、轴承钢等的性能、品质提出更高要求。因此，必须更加严格控制劣化钢的塑性、韧性和抗疲劳等关键性能的非金属夹杂物，提高钢液洁净度。

连铸是继精炼之后影响钢液洁净化和铸坯质量的关键工序，中间包、浸入式水口（简称水口）、塞棒等的服役行为与寿命，严重影响钢液洁净度，特别是非金属夹杂物的情况，进而影响铸坯质量以及后续的热轧、冷轧等工序产品的质量与性能。然而，现有中间包去除夹杂物技术效果不理想，难以满足高品质钢生产要求，亟需发展更绿色高效的中间包钢液洁净化技术；另外，低/超低碳钢、轴承钢等高端钢连铸时，水口、塞棒等严重的结瘤劣化结晶器内钢液流场，导致卷渣和大尺寸夹杂物增加，成为制约钢高端化发展的瓶颈。

为解决该问题，除连铸的前端工序竭力洁净化钢液外，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、吹氩及电磁场处理等方面开展了诸多研究，取得一定的效果，但随着钢材高端化与高质化发展需求，水口、塞棒结瘤问题日益突出，成为困扰高品质钢高质高效制造的共性关键技术难题，钢铁行业高度关注。

分析以往针对水口结瘤堵塞机理的研究，多聚焦于夹杂物的来源，较为系统地研究了钢液、夹杂物与水口等耐火材料之间的界面反应。而针对氧化铝夹杂物在钢液中运动行为，如其如何向水口壁面迁移及迁移驱动力等研究较少，仅有的研究是将其归结为惯性力、Saffman力、Magnus力等作用，但是难以解释夹杂物为何能在短时间内，沿近似垂直于钢液流动的方向大量聚集在水口内壁并致结瘤堵塞。

针对上述影响高品质钢制造的共性关键技术难题，项目团队在国家自然科学基金重点项目、河南省中原科技创新领军人才项目、宝钢金苹果项目等的持续支持下，基于夹杂物、水口材料、冶金熔渣均属无机非金属物相的本质特征，结合高温冶金环境特点，独辟蹊径，聚焦钢液中氧化铝夹杂物向水口壁面迁移的驱动力，基于冶金学、晶体化学、缺陷化学、物理学、电化学、材料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、外加电场下夹杂物迁移行为及水口电化学侵蚀行为等研究，总体技术路线如图1所示，以期发现高温冶金环境下服役水口、夹杂物的高温物理化学特征，研究夹杂物迁移行为及其驱动力，揭示水口结瘤新机理，创新防结瘤、钢液洁净化新技术，以解决钢高端化发展的“卡脖子”共性关键技术难题。主要创新点如下：

图1 项目总体技术路线

创新一：首次发现高温钢液中氧化铝夹杂物本征荷正电、连铸时水口荷负电的科学现象，打破了氧化铝夹杂物电中性的传统理念或假设，创新提出库仑力是氧化铝夹杂物向水口壁面迁移并导致结瘤的重要驱动力，发展了水口结瘤理论。

创新二：提出电场力调控钢液中氧化铝夹杂物迁移新理念，发明正极电场抑制水口与塞棒结瘤新技术；突破高温电极易失效技术难题，创新构建电极化水口/塞棒，研制出高温下大电流电场稳定施加冶金设备。规模化应用表明，相同条件下与国外水口相比，结瘤层厚度降低≥30%，单只水口连浇炉次提高最高达1倍，结晶器液面波动±3mm合格率提高≥24.6%，塞棒涨棒高度降低≥44.3%。

创新三：阐明电场力加速氧化铝夹杂物吸附至中间包覆盖剂及负极材料的新机制，发明负极电场吸附氧化铝夹杂物新技术，创建中间包钢液洁净化冶金新途径，铸坯中＞5μm夹杂物数量下降≥25.3%，冷轧工序、废次降级率降低20%以上。

创新四：阐明电场激励下因夹杂物缺陷增多导致的高荷电、高表面能，是氧化铝夹杂物细化、球化的主因，明晰MnS/TiN包覆高表面能氧化铝夹杂物的机理，发明电场调控氧化铝夹杂物尺寸、形貌及分布新技术，热轧、冷轧工序钢材合格率显著提高。

成果应用于宝钢、首钢、南钢、中天等汽车板钢或轴承钢生产，在抑制水口结瘤、控制结晶器液面波动、去除夹杂物、净化钢液等方面效果显著：

（1）首钢：本项目技术显著抑制了浸入式水口内壁结瘤，结瘤层厚度平均下降35%,防结瘤堵塞效果显著；铸坯中夹杂物数量显著减少,特别是大于5μm夹杂物数量密度减少25.3%；采用该技术后单支国产浸入式水口连浇炉次由3.5炉提高到7炉，从而可替代高价国外水口，同时大幅降低配套耐火材料，显著提高了生产效率并降低了生产成本；与完全不使用该技术相比，冷轧工序废次降级率降低30%，部分浇次零降级率；提升了钢的性能,非比例延伸强度提高9.7%，抗拉强度提高3.5%，实现了两种关键性能的协同提升,满足了高端车企对高品质汽车板用钢的需求。

图2 首钢应用效果

（2）宝钢：应用本项目技术，浸入式水口吐出孔堵塞层厚度平均减少31%,水口结瘤得到显著改善,连浇炉次达6炉以上,铸坯中大于5μm夹杂物数量平均减少27.5%，夹杂物由团簇状或链状的氧化铝转变为TiN包裹或MnS包裹的小尺寸球状氧化铝，冷轧钢板缺陷降级率降低了20.2%，部分浇次零降级率，满足了重点客户对高品质汽车板钢的需求。

图3 宝钢应用效果

（3）南钢：采用最优电场施加参数和方案，并使用国产水口，水口内腔堵塞层厚度减少30%，连浇炉次由8炉提高到10炉，塞棒开度得到有效控制，结晶器液位波动合格率(±5mm)提高60%，大于10μm夹杂物显著减少，满足了客户对高品质轴承钢的需求。

图4 南钢应用效果

（4）中天钢铁：利用本项目技术应用于轴承钢连铸生产线，水口结瘤现象得到显著改善，结瘤层厚度明显减少且致密不易剥落，结晶器液面波动降级改判率由13.5%降至0.8%以内，同时，高标轴承钢水浸探伤合格率由75%提高至99.5%以上，提高了生产效率和公司品牌价值。

图5 中天钢铁应用效果

项目基于学科交叉，从高温荷电科学发现、结瘤新理论提出、应用技术发明到工程化应用，实现了全链条的原创性、颠覆性创新。共发表论文41篇，获授权发明专利10件。发明的水口、塞棒防结瘤与中间包钢液电场净化等新技术，绿色、高效、适应性强，中国金属学会评价该成果原创性高、绿色高效，较好地解决了制约钢铁高质高效生产中的水口结瘤、大尺寸夹杂物去除等关键共性技术难题，总体达到国际领先水平。项目成果为我国钢铁行业高质量发展提供了有力支撑，践行了国家高质量发展战略，经济社会效益显著。