超低碳钢连铸过程中间包覆盖剂结壳机理研究_凌海涛.pdf

基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；安徽省高校自然科学研究项目（）通信作者：凌海涛（），男，博士，讲师；：；收稿日期：超低碳钢连铸过程中间包覆盖剂结壳机理研究凌海涛，吴锦圆，王海军，常立忠，仇圣桃，（江苏永钢集团有限公司，江苏 张家港 ；安徽工业大学 冶金工程学院，安徽 马鞍山 ；北京科技大学 钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 ；钢铁研究总院 连铸技术国家工程研究中心，北京 ）摘要：通过工业试验和热力学计算研究了超低碳钢连铸过程中间包覆盖剂成分变化、物相组成以及发生结壳机理。结果表明，精炼出站时，钢包顶渣氧化性较高且渣中（）（）偏低，顶渣成分需要进行改质处理；浇铸过程中由于大包下渣、引流砂的混入以及覆盖剂间相互混合，使得连铸过程中覆盖剂成分发生明显变化；高温下液相中镁铝尖晶石优先生成，促进了钙铝黄长石相和 相的形核和长大，进而引起中间包覆盖剂发生结壳。为此，需要严格控制浇铸末期大包下渣，将原始覆盖剂中 、质量分数分别调整为（）、，以抑制钙铝黄长石和镁铝尖晶石相的析出。关键词：超低碳钢；中间包覆盖剂；结壳机理；工业试验；热力学计算中图分类号：文献标志码：文章编号：（），：，（）（）（），（），：；随着炼钢技术的发展，对钢水洁净度的要求不断提高。中间包覆盖剂作为连铸过程中的重要 年月第 卷 第期炼钢 辅料，对钢水洁净度有着重要影响。其冶金作用主要为绝热保温、隔绝空气以防止钢水的二次氧化以及吸收钢中上浮的非金属夹杂物。目前连铸过程中，广泛使用的是普通覆盖剂和碱性覆盖剂两种。对于前者，以碳化稻壳为代表，由于渣钢界面反应，覆盖剂中 等氧化性组分容易向钢中传氧，特别是在 脱氧或 脱氧钢中，氧化现象更为严重。等人研究了中间包覆盖剂中碳化稻壳含量的变化对钢水洁净度的影响，发现增加碳化稻壳含量使得钢水中铝损和增硅现象严重，同 时 类 夹 杂 物 比 例 明 显 增 加。和 等研究也得到了类似的结果。对于碱性覆盖剂，随着其碱度提高，降低了渣中 的活度，减少了覆盖剂向钢中传氧，有利于控制钢中夹杂物的数量和尺寸分布。但该类型覆盖剂在浇铸过程中容易发生结壳现象，影响连铸的顺行。关于中间包覆盖剂的结壳机理，目前研究工作较为有限。等人 研究了 脱氧钢连铸过程中碱性覆盖剂的结壳特征。研究指出：结壳覆盖剂中的结晶相主要为 、和少量的镁铝尖晶石，同时对于镁铝尖晶石的来源，提出了不同的形成机理。盖少群等人 针对板坯连铸过程研究发现：中间包结壳渣样中的物相成分主要为钙黄长石、锰镁硅酸盐和少量的硅酸二钙，且硅酸二钙率先析出，促进了其它物相的形核和长大，进而引起中间包渣相结壳。国内某钢厂在生产超低碳钢过程中常常采用双层覆盖剂工艺，上层为碳化稻壳，下层为高碱度覆盖剂。现场跟踪发现，浇铸过程中双层覆盖剂容易发生混合，导致钢中、元素的烧损严重。为了解决上述问题和满足多炉连浇的需求，对上层覆盖剂进行了调整，但工艺改进后存在着覆盖剂结壳现象。为此，通过在 出站、中间包浇铸过程以及浇铸结束后进行取样，讨论分析了中间包覆盖剂成分变化和物相组成，同时结合热力学计算，明确了覆盖剂发生结壳的机理，为保证改进工艺的稳定应用和连铸顺行提供了理论指导。试验过程及研究方法试验超低碳钢的生产工艺流程为：转炉氩站板坯连铸。其中，脱氧过程采用 复合 脱 氧，连 铸 过 程 中 间 包 内 钢 水 温 度 约 ，铸坯断面为 ，拉速为 ，一个浇次采用炉连浇。该钢种典型化学成分如表所示。表超低碳钢典型化学成分（质量分数）中间包浇铸过程采用双层覆盖剂工艺，对应的覆盖剂成分如表所示。下层覆盖剂为高碱度（），其成分接近低熔点的 ，上层覆 盖 剂 也 为 碱 性 覆 盖 剂，其 组 成 中 含 有 ，以降低连浇过程中间包内衬侵蚀。开浇过程中首先加入下层覆盖剂，待浇铸稳定时加入上层覆盖剂。如图所示，分别在 出站时取渣样、中间包浇铸过程取覆盖剂试样。其中，工位和中间包工位取样炉次均为第、炉，中间包内取样时刻为浇铸中期、取样位置为冲击区。试验过程中，在浇铸第炉时中间包冲击区内覆盖剂发生结壳现象，待浇次结束时分别在中间包冲击区中心和边缘处取结壳样。对所取试样进行破碎处理，采用 射线荧光分析仪（）分析试样中各组分的质量分数，采用 型射线衍射仪（）检测分析结壳样中的物相组成，采用半球点熔化温度测试仪测量试样的半球点熔化温度，将其定义为试样的熔化温度。表原始中间包覆盖剂成分 （）覆盖剂 其它熔化温度下层 上层 第期凌海涛，等：超低碳钢连铸过程中间包覆盖剂结壳机理研究图取样示意图 结果分析与讨论 渣样及覆盖剂化学成分变化表显示了 出站时顶渣成分的变化，可知，出站时顶渣的氧化性较高，（），渣中（）（）。对 于 超 低 碳 钢 精 炼 过 程，顶 渣 中（）（）可以表征渣相对夹杂物的吸附能 力。研 究 指 出 ，将 顶 渣 中（）（）控制在 时，渣相对 夹杂物的 吸 附 能 力 最 强。当 前 出 站 时 顶 渣 中（）（）偏低，不利于渣相对夹杂物的高效吸收。此外，顶渣中（）保持稳定，为 ，（）仅为 。表 出站时顶渣成分变化（）炉号 其它 表显示了浇铸过程中间包覆盖剂成分的变化。对于原始中间包上层和下层覆盖剂，二者熔化温度分别为 、。对比表和表可知，浇铸过程中间包覆盖剂成分发生显著变化，其中（）由 增加至 ，表明大包浇铸末期存在下渣。进一步地发现，出站时顶渣中 含量较低，而覆盖剂中（）由 增加至 ，主要原因为浇铸过程钢中的 、元素与覆盖剂中 等氧化性组分通过渣钢界面反应引起的。（）（）（）（）（）（）表连铸过程中间包覆盖剂成分变化（）炉号 其它备注 结壳浇铸结束冲击区中心 结壳浇铸结束冲击区边缘 结壳图显示了浇铸过程中间包覆盖剂中 、和 含量的分布，图中平均值为原始中间包上层和下层覆盖剂成分的均值。由图可知，浇铸过程中间包覆盖剂中 和 含量基本位于对应的平均值附近，表明浇铸过程中间包上层和下层覆盖剂发生混合，这与 和 等人的研究结果一致，。二者研究指出：连铸过程中采用双层覆盖剂时，上层碳化稻壳中的 组分能够混入和溶解于液态渣相中，进而引起钢水的二次氧化。进一步地发现，覆盖剂中 含量低于其平均值，其原因由覆盖剂中 和（）含量增加引起的。此外，第炉浇铸开始时覆盖剂存在结壳现象，该炉次覆盖剂中（），明显高 于 前炉 覆 盖 剂 的 。杨健 等人针对超低碳钢和 钢连铸过程均研究指出引流砂容易进入中间包覆盖剂且存在积累过程。由于开浇过程大包长水口 炼钢第 卷内采用的是铬质引流砂，第炉开浇时覆盖剂存在结壳，很可能使得引流砂未能充分熔化，进而引起覆盖剂中其含量增加，浇铸结束后中间包冲击区中心和边缘位置处（）仍然较高，分别为 和 。综上所述，浇铸过程中间包覆盖剂成分的变化主要由上层和下层覆盖剂发生混合、浇铸末期大包下渣以及引流砂的混入引起的。图连铸过程中间包覆盖剂中 、和 含量分布 ，覆盖剂结壳样物相分析由表可知，浇铸过程中间包覆盖剂中含有 、铁的氧化物，其它组分中含有碱金属氧化物（、），对应的 系相图中分别考虑上述组分的影响。其中，铁的氧化物考虑为 的形式。采用热力学软件 ，选择 数据库，计算 、和 共同作用时对 和 下液相区范围的影响，结果如图所示。浇铸过程中覆盖剂成分和结壳试样成分分布较为集中，前者基本位于 液相区内，后者位于该温度下液相区边缘附近。若仅从覆盖剂成分分布判断，无法说明其发生结壳的成因和机理。图为浇铸结束后不同位置处中间包覆盖剂结壳试样，可见，冲击区中心和边缘位置处结壳样的最大厚度分别为 和，二者呈现分层现象，其中下部区域（即靠近钢水侧）较为致密，气孔较少，这也容易导致覆盖剂保温性能差，易于发生结壳。图中间包覆盖剂成分分布 第期凌海涛，等：超低碳钢连铸过程中间包覆盖剂结壳机理研究图不同位置中间包覆盖剂结壳试样 对结壳试样进行 物相分析，结果如图所示。可知，第炉和浇铸结束后结壳样中的物相基本类似，仅仅在峰值上（相对含量）存在差异，均以钙铝黄长石相（）和镁铝尖晶石相（）为主，同时含有一定量的钙钛矿相（）。热力学数据表明，相熔点为 ，尖晶石相熔点为 ，相熔点为 ，均高于中间包内钢水的浇铸温度（约 ），对应的在实际浇铸过程中以固相形式存在。图中间包覆盖剂结壳试样 射线衍射 （）热力学计算与分析对于连铸过程中间包覆盖剂中不同物相的析出行为进行热力学计算，结果如图所示。计算过程中选择 模块，数据库为 ，输入相成分为浇铸过程中第炉覆盖剂成分。由图可知，随着 温 度 降 低，液 相 含 量 减 少 且 首 先 生 成 尖晶石相，在温度降低至 开始有新相 的生成。当温度继 炼钢第 卷续降低至 时，存在 相的生成，此后依次生成 相和 相，后两种生成相的含量较低。根据表可知，浇铸过程中间包覆盖剂中含有质量分数 的 ，促进了 尖晶石相的生成，同时浇铸过程中双层覆盖剂发生混合以及浇铸末期大包下渣使得混合后的覆盖剂成分位于钙铝黄长石区域（见图）。此外，渣钢界面反应的持续进行提高了覆盖剂中 组分的含量。结合晶体析出动力学分析，优先生成的镁铝尖晶石相可以诱导 相的形核和长大，进而诱导 相的形核和长大。图温度降低对中间包覆盖剂中物相转变的影响 综上所述，为了控制连铸过程中间包覆盖剂发生结壳现象，需要严格控制浇铸末期大包下渣，将上层原始覆盖剂中 、质量分数分别调整为（）、，避免浇铸过程中覆盖剂成分落入钙铝黄长石区域，同时抑制 尖晶石相的析出。结论）精炼出站时，钢包顶渣氧化性较高，渣相中（）（）偏低，不利于对 类夹杂物的高效吸收，精炼顶渣成分需要进行改质处理。）连铸过程中间包双层覆盖剂不仅发生混合，同时存在大包下渣和引流砂的混入，从而改变了中间包覆盖剂的成分。）浇铸过程中 尖晶石相的生成、和 等固相的析出是引起中间包覆盖剂发生结壳的主要原因。）为了控制浇铸过程中间包覆盖剂发生结壳，应当严格控制浇铸末期大包下渣，将上层原始覆盖剂中 、质量分 数 分 别调 整 为（）、，避免其成分落入钙铝黄长石区域，同时抑制 尖晶石相的析出。参 考 文 献万恩同，王俊杰，杨运超，等连铸中间包覆盖剂现状及发展趋势武钢技术，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：杨伶俐，包燕平，刘建华，等连铸中间包覆盖剂冶金效果分析炼钢，（）：王建昌高碱度中间包覆盖剂对改善 不锈钢洁净度的影响特殊钢，（）：陈兴润，胡桓彰中间包覆盖剂对 不锈钢钢水洁净度的影响中国冶金，（）：刘昱，卢汝，李光强，等碱性中间包覆盖剂对钢水洁净度的影响武汉科技大学学报，（）：，（）：盖少群，丁胜利，张文涛连铸中间包渣结壳机理研究 全国高效连铸应用技术及铸坯质量控制研讨会论文集，：李怡宏，包燕平，申小维，等 钢包内 钢的夹杂物控制研究炼钢，（）：苑鹏，李海波，罗衍昭，等超低碳钢顶渣氧化性对钢液洁净度的 影 响 工 程 科 学 学 报，（）：张敏，谢鑫，曾建华，等 钢质洁净度工艺技术研究炼钢，（）：，（）：黄淑媛，罗钢，杨健，等氧含量对超低碳钢炼钢连铸过程夹杂物演变的影响炼钢，（）：周杨鹏，杨健，郑磊，等风塔板钢炼钢连铸过程中夹杂物的演变炼钢，（）：德国钢铁工程师协会渣图集王俭，译北京：冶金工业出版社，第期凌海涛，等：超低碳钢连铸过程中间包覆盖剂结壳机理研究