連鑄結(jié)晶器內(nèi)渣膜結(jié)晶動力學(xué)及渣膜結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、作為連鑄過程的功能材料,連鑄結(jié)晶器保護渣在結(jié)晶器內(nèi)對控制鑄坯的傳熱和潤滑起著重要的作用。提高保護渣的結(jié)晶性能可以降低結(jié)晶器和鑄坯之間的傳熱,這是目前國內(nèi)外控制裂紋敏感性鋼種鑄坯表面裂紋的常用方法。保護渣的結(jié)晶性能不僅與其化學(xué)成分有關(guān),還與冷卻速度有關(guān),即與結(jié)晶動力學(xué)有關(guān)。但有關(guān)這方面的研究還不系統(tǒng)。因此,本文首先應(yīng)用熱絲法研究了保護渣組成與其結(jié)晶動力學(xué)的關(guān)系；其后利用開發(fā)的結(jié)晶器渣膜熱流模擬儀建立了保護渣組成與渣膜結(jié)構(gòu)、傳熱性能的關(guān)系,

2、為保護渣定量控制結(jié)晶器與鑄坯的傳熱和潤滑奠定了理論基礎(chǔ)。
　　 通過構(gòu)建的保護渣連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(Continuous Cooling Transformation)曲線,簡稱CCT曲線,探討了保護渣組成、冷卻速度對結(jié)晶溫度、臨界冷卻速度的影響。隨堿度、[F-]含量增加,臨界冷卻速度增加,在同一冷卻速度下保護渣結(jié)晶溫度增加,保護渣的結(jié)晶性能增強。堿度的影響程度強于[F-]；Na2O、Al2O3、B2O3和MnO含量增加,臨界冷卻速度

3、減小,在同一冷卻速度下保護渣結(jié)晶溫度降低,抑制保護渣的結(jié)晶能力；Li2O(<1.5mass％)、MgO(<3mass％)低含量范圍,隨含量增加,臨界冷卻速度減小,有擬制結(jié)晶的作用,有利于保護渣潤滑性能提高。隨后臨界冷卻速度呈增加趨勢。Li2O從1.5mass％增加到2mass％,臨界冷卻速度提高顯著,其后變化緩慢。提出要通過添加Li2O來提高保護渣的結(jié)晶能力,渣中Li2O≥2mass％。對于MgO含量的影響,隨MgO含量增加,保護渣臨界

4、冷卻速度增加趨勢大。MgO達到6mass％時,試樣的臨界冷卻速度,達到保護渣控制結(jié)晶器傳熱冷卻速度要求的上限(20℃/s)。對同一保護渣冷卻速度不同,結(jié)晶溫度不同。冷卻速度增大,結(jié)晶溫度降低。
　　 構(gòu)建的保護渣等溫轉(zhuǎn)變(Temperature Time Transformation)曲線,簡稱TTT曲線,研究了保護渣組成對結(jié)晶孕育時間,即結(jié)晶速度的影響規(guī)律。隨堿度、[F-]、Na2O、MgO增加,保護渣的TTT曲線向溫度升高、

5、孕育時間減少的方向移動。堿度達到1.4、Na2O9mass％、Li2O2mass％、MgO6mass％時,在一定的低溫區(qū)域,晶體孕育時間為零,可實現(xiàn)在結(jié)晶器彎月面處靠近結(jié)晶器壁的渣膜迅速結(jié)晶,提高界面熱阻控制傳熱。提出對于澆鑄裂紋敏感性極強的鋼種,從控制結(jié)晶器彎月面?zhèn)鳠?預(yù)防表面縱裂紋考慮,結(jié)晶器保護渣堿度建議設(shè)計在1.4以上；Al2O3、B2O3組成延長保護渣的結(jié)晶孕育時間,TTT曲線向溫度降低方向移動、抑制保護渣的結(jié)晶速度；隨Li2

6、O含量增加,保護渣結(jié)晶孕育時間縮短,結(jié)晶速度加快,孕育時間為零的低溫區(qū)向下移。說明隨Li2O含量增加,液態(tài)渣膜增厚,保證了連鑄過程的潤滑,克服了傳統(tǒng)保護渣通過提高堿度來控制傳熱,而使液態(tài)渣膜減薄,保護渣潤滑性能受損的矛盾,該結(jié)論得到實踐驗證。等溫結(jié)晶過程的動力學(xué)方程分析說明,本研究得到的TTT曲線可實現(xiàn)對保護渣結(jié)晶動力學(xué)的描述。
　　 結(jié)晶體類型研究結(jié)果表明,試樣析出的主要晶體相為槍晶石(Ca4Si2O7F2)、硅酸二鈣(Ca2

7、(SiO4))、硅酸一鈣(CaO·SiO2),當堿度達1.5及以上、F-含量達10mass％的渣樣只有單一槍晶石晶體析出。高MgO含量試樣抑制了槍晶石晶體的析出,析出物為Ca2Mg(Si2O7),。
　　 結(jié)晶器渣膜熱流模擬儀測試的傳熱熱流、渣膜結(jié)構(gòu)、結(jié)晶體類型與實際生產(chǎn)渣膜影響規(guī)律上有好的對應(yīng)性。但在晶粒大小上由于實驗室渣膜在高溫下所處時間短于實際渣膜,因此尺寸稍小。由于本測試儀只考慮了渣膜自身傳熱性能,沒考慮拉速等相關(guān)工藝參

8、數(shù)的影響,熱流值不完全等同實際值,但規(guī)律是一致的。論文系統(tǒng)地分析了研究渣系堿度R、[F-]含量、Na2O及微量組分Li2O、MnO、B2O3和MgO含量對保護渣渣膜結(jié)構(gòu)(固態(tài)渣膜厚度、結(jié)晶率、渣膜表面粗糙度)及傳熱熱流的影響規(guī)律,建立了保護渣組成與保護渣潤滑性(固態(tài)渣膜厚度反映)、控?zé)崮芰Φ年P(guān)系。研究表明,決定導(dǎo)熱熱阻的渣膜厚度,和決定界面熱阻的渣膜表面粗糙度是影響渣膜綜合傳熱熱流的主要因素。但當向保護渣中加入過渡族金屬氧化物MnO時,

9、提高了渣膜的吸收系數(shù),降低紅外線的截止波長,減少熱輻射能力,因此MnO組分對輻射傳熱的影響須考慮；隨保護渣熔點的升高,固態(tài)渣膜厚度增加、結(jié)晶率增加,傳熱熱流降低；保護渣粘度增加,固態(tài)渣膜厚度增加,結(jié)晶率降低,二者共同作用導(dǎo)致渣膜表面粗糙度、傳熱熱流不是粘度的單調(diào)函數(shù)。提出從控?zé)峥紤],在保護渣設(shè)計上既可以采用高結(jié)晶率、低粘度路線,又可采用低結(jié)晶率、高粘度路線。實踐表明,從提高潤滑性能考慮(高的液渣膜厚度),采用高結(jié)晶率、低粘度路線為宜；4

10、mass％Al2O3的加入擬制了硅灰石、硅酸二鈣晶體的析出,得到致密、單一的槍晶石晶體,渣膜表面粗糙度增加,降低了渣膜綜合傳熱熱流；與TTT曲線研究結(jié)果一致,Li2O的加入在保證有足夠液渣膜厚度(保證潤滑)條件下,能達到控?zé)岬淖饔谩?mass％Na2O的加入條件下,Li2O的加入量控制在Li2O2-3mass％范圍,既可保證有好的潤滑性能,又能保證控?zé)崮芰ο鄬Ψ€(wěn)定。
　　 通過對工業(yè)用渣的測試分析,建立了板坯保護渣在不同拉速下的