連鑄中間包渣結(jié)殼機理研究

蓋少群，丁勝利，張文濤

（河鋼股份有限公司承德分公司，河北承德 067102）

摘  要：采用工業(yè)取樣的方法，利用宏觀觀察、掃描電鏡、能譜等分析手段，研究了中間包結(jié)殼渣的宏觀形貌、成分及微觀結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)，結(jié)殼渣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，氣孔較少，分為三層結(jié)構(gòu)，上部分呈灰綠色主要成分為錳鋁硅酸鹽，中間部分呈棕褐色主要成分為錳鎂硅酸鹽，下面部分呈黑色主要成分為鈣黃長石、錳鎂硅酸鹽和少量的硅酸二鈣，且硅酸二鈣率先析出，促進了其它物質(zhì)晶體的形核和長大，進而導(dǎo)致中間包渣結(jié)殼。研發(fā)覆蓋劑時應(yīng)充分考慮鋼包下渣量及中間包工作層侵蝕對中間包渣成分的影響，生產(chǎn)中應(yīng)嚴格控制鋼包下渣量，提高中包砌筑質(zhì)量，增加碳化稻殼使用量或引入其它保溫材料，提高中間包渣中密閉氣孔的數(shù)量，提高保溫性能防止結(jié)殼。

關(guān)鍵詞：連鑄；中間包；覆蓋劑；結(jié)殼

Research on the Mechanism of Tundish Slag to Form the Solidified Crusts for Continuous Carting

Gai Shaoqun, Ding Shengli, Kang Yi, Wu Yuchen, Zhang Wentao, Yu Jianbo, Hu Tiejun

（HBIS Company Limited Chengde Branch, Chengde 067102, Hebei, China）

Abstract：The composition, macroscopic, micro-structure of tundish skull slag were analyzed by methods of macroscopic observation and SEM-EDS. The sample got from an industrial plant. The results showed that, the structure of tundish skull slag was fine and closed. Sealed porosity were few. Tundish skull slag had three layers.The upper layer was grey-green, which the main ingredient was manganese-aluminum silicate. The middle layer was chocolate brown, which the main ingredient was manganese-magnesium silicate. The lost layer was black, which the main components were manganese-magnesium silicate, anorthite and dicalcium silicate. Dicalcium silicate first precipitated, promoting the nucleation and growth of other material crystals, resulting in tundish slag crust. In the development of covering agent, the influence of ladle slag and tundish layer erosion on tundish slag composition should be considered. The slag quantity of ladle should be controlled strictly in production, and the quality of tundish masonry should be improved. For preventing crusting, the amount of carbonizing rice hull or other insulation materials should be Increased, for raising the number of airtight pores in tundish slag, improving the insulation performance.

Key words：Continuous casting；Tundish；Covering flux；Solidified crust

引言

隨著人們對鋼水潔凈度的要求不斷提高，中間包作為鋼液澆鑄成型前的最后一個耐材容器，對鑄坯的質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用^[1]。由于中間包冶金技術(shù)日益受到人們的重視，堿性包襯、堿性覆蓋劑以其優(yōu)良的冶金性能，得到廣泛的應(yīng)用。相關(guān)研究表明，增加覆蓋劑的堿度可以降低渣中的a_SiO2，減少[Al]s損失，從而降低鋼水被渣氧化的可能性，并且提高覆蓋劑的堿度對防止鋼液回磷、回硫、提高夾雜物的吸附能力等作用效果顯著^[2~5]。但堿性中包覆蓋劑熔點較高，且易與鋼渣、引流砂及中包工作襯侵蝕脫落物反應(yīng)生成難熔物質(zhì)，造成中間包渣層結(jié)殼，嚴重影響塞棒的開啟和上下移動，降低包渣的保溫及其它冶金效果，增加了人工測溫的難度和危險性，嚴重影響了連鑄的正常生產(chǎn)^[6]。鑒于此，本文采用工業(yè)取樣的方法，利用掃描電鏡、能譜等設(shè)備，研究了中間包結(jié)殼渣的成分和微觀結(jié)構(gòu)，希望以此發(fā)現(xiàn)中間包渣結(jié)殼的機理，為解決中間包渣結(jié)殼問題提供理論指導(dǎo)。

1研究方法

本實驗結(jié)殼渣試樣取自河鋼承鋼板坯連鑄機中間包澆次中期，取樣位置選在中間包靠近中心位置附近，中包鋼水溫度控制在1525-1545℃。待試樣冷卻后，將試樣縱向切割開，觀察截面宏觀形貌，進而取一小塊試樣磨平、噴金處理后，用掃描電鏡觀察微觀形貌，結(jié)合能譜打點對物相成分進行分析。并結(jié)合生產(chǎn)工藝特點對中間包渣結(jié)殼原因進行了分析。中間包工作層（干式料）的理化指標如表1所示，覆蓋劑的化學(xué)成分如表2所示。

表1  中包工作層（干式料）理化指標

Table 1  Physical and chemical index of tundish working layer(dry ramming mix)

表2  中間包覆蓋劑化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

Table 2  Chemical compositions of tundish covering flux(mass fraction/%)

2  實驗結(jié)果與討論

2.1  結(jié)殼渣宏觀分析

工業(yè)取的原始樣及經(jīng)切割磨平后的試樣如圖1所示，切割后的試樣由于最下面一層較脆，大部分脫落，所以最下面的黑色層不太明顯。通過觀察發(fā)現(xiàn)，該結(jié)殼渣的厚度約為45~60mm，上表面較為致密有光澤，下表面凹凸不平有部分鐵屑殘留，有明顯的分層現(xiàn)象，上部分呈灰綠色石頭狀，中間部分呈棕褐色，下部分呈黑色。結(jié)殼渣整體都比較致密，氣孔較少，這也是導(dǎo)致中間包渣保溫性能差易結(jié)殼的主要原因之一。

2.2  掃描電鏡及能譜分析

用掃描電鏡觀察結(jié)殼渣上層與中間層接合處位置，及中間層與下層接合處位置的微觀形貌如圖2所示。由圖2結(jié)合能譜打點分析可知，結(jié)殼渣上層主要成分為灰白色的錳鋁硅酸鹽，中層主要成分為灰色呈長條狀分布的錳鎂硅酸鹽，下層主要成分為錳鎂硅酸鹽、黑色區(qū)域處的鈣黃長石和少量呈深灰色網(wǎng)狀分布的硅酸二鈣。由于河鋼承鋼煉鋼所用的鐵水磷、硫含量較高，為了滿足所煉鋼水成分要求，煉鋼過程中加入的石灰較多，鋼渣堿度大，澆鑄過程中隨著連澆爐數(shù)的增加，中包中下渣量增多，導(dǎo)致中間包渣堿度升高，為生成硅酸二鈣創(chuàng)造條件，符合相圖規(guī)律。

熱力學(xué)數(shù)據(jù)^[7]分析表明，硅酸二鈣的熔點為2130℃，鈣黃長石的熔點為1593℃，均比鋼水及錳鎂硅酸鹽、錳鎂硅酸鹽高很多，因此在結(jié)殼過程中，硅酸二鈣和黃長石必然先于錳鎂硅酸鹽和錳鋁硅酸鹽析出。從晶體析出動力學(xué)角度看，率先析出的硅酸二鈣可以誘導(dǎo)鈣黃長石晶體的成核和長大，進而誘導(dǎo)錳鎂硅酸鹽的成核和長大。SEM圖分析發(fā)現(xiàn)，硅酸二鈣呈小塊狀或網(wǎng)狀分布在大塊的鈣黃長石和錳鎂硅酸鹽晶界之間，這是初始晶體形核，促進其它晶體析出的佐證。另外由于硅酸二鈣和鈣黃長石存在于結(jié)殼渣的最下層，離鋼水液面最近，必然最先析出，進而促進其它物相的析出。

將簡化后的覆蓋劑成分標于CaO-SiO₂-Al₂O₃-10%MgO相圖中，如圖3所示�？梢园l(fā)現(xiàn)該覆蓋的成分位于點A處，屬于黃長石區(qū)域，當中間包內(nèi)鋼包下渣量增多，中間包渣堿度升高后極易生成鈣黃長石等較高熔點物質(zhì)。因此建議對于開發(fā)設(shè)計中間包覆蓋劑，應(yīng)當充分考慮鋼包下渣量，中間包工作襯的腐蝕，引流砂等情況對中間包渣成分的影響。同時生產(chǎn)過程中，應(yīng)提高中間包砌筑質(zhì)量，嚴格控制鋼包下渣量，及時排渣防止中間包渣層過厚。另外應(yīng)適量使用一些保溫或發(fā)泡劑等材料，增加中間包渣中的氣孔數(shù)量，提高保溫效果，降低中間包渣凝固結(jié)殼的風險。

3  結(jié)論

1) 中間包結(jié)殼渣有明顯的分層，上層呈灰綠色，主要成分為錳鋁硅酸鹽；中間層呈棕褐色，主要成分為錳鎂硅酸鹽；下層呈黑色，由錳鎂硅酸鹽、鈣黃長石和少量的硅酸二鈣組成。

2) 硅酸二鈣率先結(jié)晶析出，誘導(dǎo)鈣黃長石晶體形核長大，進而促進錳鎂硅酸鹽等物質(zhì)晶體的成核和長大，從而使中間包渣凝固結(jié)殼。

3) 所用覆蓋劑的成分位于相圖中的黃長石區(qū)域，極易受堿度增加的影響生成鈣黃長石等較難熔物質(zhì)，所以研發(fā)覆蓋劑時，應(yīng)充分考慮鋼包下渣量、中間包工作層侵蝕等情況對中間包渣成分的影響，同時生產(chǎn)中要提高中間包工作層砌筑質(zhì)量，嚴格控制鋼包下渣量，及時排渣，防止引起中間包渣堿度過高。

4) 中間包結(jié)殼渣內(nèi)部致密，氣孔較少，應(yīng)當適量增加碳化稻殼等保溫材料的使用量，提高中間包渣中的密閉氣孔數(shù)量，提高保溫效果，降低中間包渣結(jié)殼的風險。

參考文獻

[1] Yang L L, Bao Y P, Liu J H. Investigations on metallurgical effects of tundish covering flux for continuous casting[J]. Steel Making, 2007,23(2):34-37.                                                    (楊伶俐, 包燕平, 劉建華,等. 連鑄中間包覆蓋劑冶金效果分析[J]. 煉鋼, 2007, 23(2):34-37.)

[2] Brown W A, Kinney M A, Schade J. Tundish life improvements at Armco Steel's Ashland slab caster[C]. Steelmaking Conference Proceedings, 1993,76:549-557.

[3] Sasai K, /Yoshimasa M. Reoxidation Behavior of Molten Steel in Tundish[J]. Transactions of the Iron & Steel Institute of Japan, 2007, 40(1):40-47.

[4] Bessho N, Yamasaki H, Fujii T, et al. Removal of Inclusion from Molten Steel in Continuous Casting Tundish[J]. Isij International, 1992, 32(1):157-163.

[5] Tanaka H, Nishihara R, Miura R, et al. Technology for Cleaning of Molten Steel in Tundish[J]. Isij International, 1994, 34(11):868-875.

[6] Xie J. Mechanism analysis forbasic tundish fluxes to form the solidified crusts[J]. Journal of Materials and Metallurgy, 2010, 9(1):15-17.

(謝健. 堿性中間包覆蓋劑結(jié)殼機理分析[J]. 材料與冶金學(xué)報, 2010, 9(1):15-17.)

[7] Liang Y J, Che Y C, Wang Y C. Handbook of inorganic thermodynamics date[M]. Shenyang: Northeastern University Press,1993. (梁英教, 車蔭昌. 無機物熱力學(xué)數(shù)據(jù)手冊[M].沈陽: 東北大學(xué)出版社, 1993