低反應(yīng)性連鑄保護渣熔體的微結(jié)構(gòu)特征及宏觀性能研究.pdf

1、高鋁鋼因組織性能優(yōu)勢，被應(yīng)用于許多軍事民用領(lǐng)域。近年來具有高強塑積的 TRIP、TWIP鋼的“煉鋼—連鑄”流程工業(yè)化生產(chǎn)，更是國內(nèi)外相關(guān)大型鋼鐵企業(yè)追逐和研究的重要技術(shù)。但受限于目前國內(nèi)外尚未成功研發(fā)出與高鋁鋼連鑄生產(chǎn)相配套的專用結(jié)晶器保護渣，部分高鋁鋼連鑄生產(chǎn)過程中存在嚴重鑄坯表面裂紋缺陷及頻繁漏鋼事故，無法實現(xiàn)穩(wěn)定、高質(zhì)、高效多爐連澆，因此，高鋁鋼連鑄保護渣是近年來國內(nèi)外研究熱點。本文就目前高鋁鋼澆鑄過程中傳統(tǒng)保護渣的鋼渣反應(yīng)性以及

2、低反應(yīng)性保護渣的熔渣結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定性的控制難題，展開系列相關(guān)研究，旨在為高鋁鋼保護渣研發(fā)提供理論指導(dǎo)，促進高鋁鋼連鑄技術(shù)發(fā)展。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴針對高鋁鋼澆鑄過程中所面臨的結(jié)晶器內(nèi)鋼渣反應(yīng)性問題，通過熱力學(xué)計算、實驗室平衡接觸實驗以及現(xiàn)場試驗，研究不同渣系條件下保護渣中各組分與鋼水中Al的反應(yīng)性，以獲得低反應(yīng)性保護渣組分控制目標(biāo)。結(jié)果表明：各保護渣中 SiO2、MnO容易和鋼水中 Al發(fā)生反應(yīng)，高含量 B2O3、Na2O

3、會與鋼水中Al發(fā)生反應(yīng)，CaF2、MgO、CaO、BaO基本上不與鋼水中Al發(fā)生反應(yīng)。現(xiàn)場試驗用CaO-SiO2-Al2O3基保護渣澆鑄Al含量為1.0wt％的高鋁鋼，鋼渣反應(yīng)達到平衡后，SiO2含量穩(wěn)定為約8wt%，Na2O含量穩(wěn)定為約5wt%，B2O3含量穩(wěn)定為約2.5wt%，鋼渣反應(yīng)使保護渣熔點和黏度大幅度升高，從而影響連鑄順行，并很有可能引起粘結(jié)和漏鋼等生產(chǎn)事故。因此，低反應(yīng)性保護渣不宜加入大量 Na2O和B2O3作為主要助熔劑

4、。⑵采用分子動力學(xué)模擬，研究了典型組分對Al-O網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響機制，為低反應(yīng)性保護渣微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制提供理論指導(dǎo)。結(jié)果表明：CaO-SiO2和CaO-Al2O3熔體中，[AlO4]5-四面體結(jié)構(gòu)不及[SiO4]4-四面體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，熔體黏度和電導(dǎo)率的自然對數(shù)和表征體系聚合程度的結(jié)構(gòu)參數(shù)NBO/T存在線性關(guān)系，模擬計算值與實驗測試值的吻合度驗證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性；Al2O3基二元系熔體中， Al-O網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)隨著Al2O3含量的增加而變得復(fù)

5、雜，金屬陽離子或三配位氧Ot起到平衡[AlO4]5-負電過剩的作用，Al-O結(jié)構(gòu)的無序性以及熔體結(jié)構(gòu)的聚合程度隨著金屬陽離子電負性的增加而增加，即組分穩(wěn)定 Al-O網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的順序為 K2O>BaO>Na2O>CaO>MgO，而熔體結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度順序為K2O-Al2O3

6、高Al2O3的CaO-Al2O3-SiO2-CaF2熔體中，F(xiàn)取代O對熔體結(jié)構(gòu)有著雙重影響，一方面促進Ca-F網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，減少網(wǎng)絡(luò)修飾子Ca的含量使得熔體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，另一方面促進形成[AlO3F]4-四面體以平衡[AlO4]5-四面體負電過剩，減少高配位Al和三配位氧Ot的比例使得Al-O網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變簡單，因此，F(xiàn)對低反應(yīng)性保護渣熔體結(jié)構(gòu)及性能的影響規(guī)律需根據(jù)具體組分范圍而定。⑶基于鋼渣反應(yīng)性和熔體微觀結(jié)構(gòu)研究，通過宏觀性能測試，

7、研究典型組分BaO、Li2O和F-對CaO-SiO2-Al2O3和CaO-Al2O3基保護渣宏觀性能的影響規(guī)律，獲得了宏觀性能穩(wěn)定且滿足高鋁鋼連鑄要求的成分范圍。結(jié)果表明：Al2O3取代SiO2模擬鋼渣反應(yīng)導(dǎo)致的組分變化，會使熔渣熔點、黏度較大幅度上升，影響連鑄順行；BaO取代 CaO，對熔渣基本性能的影響存在雙重機制，能穩(wěn)定實驗渣凝固溫度和粘流活化能，改善熔渣潤滑性，并提高熔渣吸收Al2O3夾雜后性能的穩(wěn)定性，綜合而言，低反應(yīng)性保護渣

8、中BaO含量控制為15wt%左右為佳；Li2O取代CaO，能有效降低熔渣熔點、黏度和凝固溫度，增加粘流活化能，但高Li2O含量會促進LiAlO2礦相的析出，提高熔渣析晶溫度，不利于熔渣潤滑性能，故低反應(yīng)性保護渣中Li2O含量控制在5wt%左右為佳；F-含量增加對CaO-Al2O3基實驗渣熔點的增加作用比其對黏度的降低作用明顯，且粘流活化能和凝固溫度上升，不利于熔渣潤滑性能，故 F-含量控制在10wt%左右為佳；低反應(yīng)性 CaO-Al2O

9、3基實驗渣中，主要析晶礦相為12CaO·7Al2O3和11CaO·7Al2O3·CaF2，有望取代傳統(tǒng)CaO-SiO2基保護渣中槍晶石控制鑄坯到結(jié)晶器的傳熱。⑷在實測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，結(jié)合FactSage熱力學(xué)軟件及相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，建立了初步鋼渣反應(yīng)性動力學(xué)模型和含BaO熔體黏度模型，為高鋁鋼保護渣的研發(fā)與應(yīng)用提供一定方法保障。⑸結(jié)合高鋁鋼鋼種特性及連鑄工藝條件，通過工業(yè)化應(yīng)用試驗，研發(fā)的高鋁鋼低反應(yīng)性保護渣已取得初步應(yīng)用成功，基本實現(xiàn)了高鋁鋼鑄