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中间包结构及包衬耐火材料对钢水清洁度的影响

通过中间包砌筑结构的变化 ,分析了钢水内不同级别的颗粒夹杂物上浮的机率;又通过中间包内渣层 中示踪剂的变化 ,分析了包衬耐火材料在单炉钢水冲刷下的侵蚀量 ,从而定量判定了中间包结构及包衬耐火材 料侵蚀对钢水清洁度的影响程度。

连铸钢坯的内部夹杂是严重的质量问题 ,它破坏了钢的连续性 ,直接影响钢的使用性能及使用范围。不论是微观夹杂还是宏观夹杂 ,都对钢的性能产生严重的危害。夹杂不同 ,来源也不同 ,其形成过程也非常复杂。但宏观夹杂主要来源于中间包衬层、 二次氧化、覆盖剂等。所以在冶炼过程中 ,如何减少中间包带入的夹杂 ,如何防止钢水污染 ,提高钢坯质量 ,成为研究的重要课题。

中间包是钢水进入结晶器之前最后一个耐火材料容器 ,其主要功能是盛装钢水。中间包内流体的流动行为、衬层及影响流体流动的耐火材料对钢的清洁度、夹杂物粒度及含量有较大的影响。因此 ,本工作初步探讨了中间包结构及所用耐火材料对钢水清洁度的影响。

1 中间包结构对钢水清洁度的影响

钢的质量与钢水在中间包内的流动形式有一定关系。钢水在自然状态下流动时的夹杂物上浮与控制状态下的不同。它主要表现为 ,自然状态下包内所产生的湍流一方面会冲破渣层而将钢渣卷入钢水内 , 并使钢液暴露在空气中被二次氧化;另一方面,湍流 还会严重冲刷内衬耐火材料 ,并将耐火材料卷入钢液内而形成夹杂。而中间包在控流状态下操作时 ,可以防止钢水二次氧化,减少涡流形成 ,除去包内夹杂。 因此 ,钢水在包内停留的时间越长 ,流体越平稳 ,夹杂物就越易上浮。中间包内设计有挡墙、坝及稳流器的组合结构 ,其主要作用就是控制钢水流动的状态 ,使钢水流动的轨迹平稳 ,促使夹杂物上浮并被有效地去除。通过对钢水自然流动与控制流动的流体分析发现:自然流动状态下 ,钢水从浇注区由包底直接流向水口到结晶器中 ,钢水的平均流动时间短 ,不利于夹杂物的上浮;而对于控制状态下的流动 ,即设置了挡渣墙、坝及稳流器之后 ,钢水在稳流器处形成强烈湍流 ,在墙及坝的另一侧钢流趋于平稳 ,此流动方式有利于夹杂物上浮。

在本试验中 ,采用砌筑挡墙、坝及稳流器的控流 浇铸中间包与没有砌筑挡墙、坝及稳流器的自然浇铸的中间包,在其他情况基本相同的状态下 ,分别对钢坯内部夹杂进行检测分析 ,测定结果见表1。检测时,利用英国剑桥S250M3型扫描电镜对夹杂物进行电子探针分析 ,其放大倍数为10万~20万倍 ,分辨率为5nm,定量金相和夹杂成分 ,均为面扫描。

控流浇铸与自然浇铸两种情况下的夹杂量

从表1看出:对于≤25μm的夹杂 ,控流浇铸与自然浇铸两种情况下没有明显区别;对于 50~100μm的夹杂 ,控流浇铸有明显的上浮效果;对于 ≥150μm的夹杂 ,在这两种试验情况下都可以上浮。两种情况下的试验结果对比表明:在其他控制条件基本相同的状态下 ,对一个 70μm左右的夹杂来说 ,实施控流浇铸后 ,其上浮的机率要提高 10%~20%,平均为13. 8%。

2 中间包衬耐火材料对钢水清洁度的影响

2 . 1 试验过程

中间包衬耐火材料在浇注过程中与钢液长时间接触 ,发生的作用有机械冲刷、化学侵蚀及生成低熔点化合物等,任何一种作用的最终结果均是对钢水造成污染。本研究是在14 t中间包衬层的涂料内添加示踪剂 ,通过对钢坯内示踪剂的分析 ,判断衬层侵蚀后被带进钢坯内的量 ,从而得出由此形成的夹杂物占总夹杂物的含量。

2 . 1 . 1 试验参数

(1)中间包容量 : 14 t。

(2)铸机: R6 . 5 /12 - 1200一台; R5 . 7 /6 . 5 /8 . 5 / 12 /17 /33 - 1500一台。

(3)生产钢种:A36、Q235、SS400、BC等。

(4)单炉钢产量 42.5 t; 平均每炉浇注时间21.5min。

2 . 1 . 2 中间包内衬材料及施工

中间包内衬采用镁钙质涂料。其理化指标如下: w (MgO) ≥85% , w (CaO) ≥2.2%;体积密度 ≤2.2 g·cm - 3 ,常温耐压强度 ≥2.3 MPa,耐火度≥1790 ℃。

将镁钙质涂料先干混2~3min,再加水湿混3~5min,然后人工涂抹到中间包内壁上 ,衬层厚度为40 mm。自然干燥12 min后,烘烤 24~30 h,并在最高温度保温3~4 h。

2 . 1 . 3 试验方法

在干混中间包涂料时 ,每批料内中均配加8%的ZrO2 作为示踪剂,其他按正常操作。使用 1个包役后,利用扫描电镜-能谱仪对中间包残衬层的不同层带进行检测分析,得出ZrO2的含量 ,以判定示踪剂的侵蚀情况及在各层中的存在状态。

2 . 2 结果与分析

2 . 2 . 1 中间包残衬的显微结构

(1)原始层耐火材料未受到破坏 ,矿物相晶粒完整 ,主要矿相为镁橄榄石和尖晶石。不同矿物间分界明显 ,较多示踪剂元素以小粒状独立存在(见图1)。

中间包残衬原始层显微照片

(2)过渡层

耐火材料受到破坏,矿物晶粒破损,不同矿物之间界限不明显,大粒矿物变小,边缘浑圆。示踪元素晶粒很小,多数溶于耐火材料之中(见图2)。

中间包残衬过渡层显微照片

(3)反应层

有大小不等的金属铁粒存在,金属铁粒包裹在耐火材料之间。耐火材料无完整形状 ,矿物混为一体。边缘层较致密,内部较疏松。大颗粒耐火材料大多不存在,留下孔洞,见不到示踪元素。矿物相中示踪元素也不存在(见图3)。

中间包残衬反应层显微照片

2 . 2 . 2 镁钙质涂抹料的侵蚀

由中间包残衬层不同层带的扫描电镜-能谱分析结果(见表2)可以看出 ,原始层和过渡层中均有示踪元素存在,而反应层中示踪元素不存在。这说明:原始层中耐火材料没有发生质的变化 ,示踪剂保存完整,各颗粒以原始状态存在;过渡层中有部分耐火材料参与了反应,示踪剂及大颗粒已破坏,各矿物之间的界限不明显;而反应层矿物中的铁含量明显增加,大多是耐火材料与渣反应的生成物。由此判定,中间包镁钙质涂料在其过渡层就与Fe及渣反应 ,其生成 物是低熔点化合物,对钢水是一种污染。

中间包残衬层不同层带的组成

由于中间包衬层通过冲刷或侵蚀进入结晶器的时间较短 ,因此其示踪剂变化量可以说明涂料侵蚀后进入钢坯内的量,即对钢水清洁度的影响。所以本试验对中间包内示踪剂ZrO2 的含量变化进行了跟踪分析。为确保示踪剂的变化,在开浇3炉后取样。取样时间为:开浇 2 min时取一渣样,测定 ZrO2含量为0. 0509%;开浇21 min时取第二个渣样,测定ZrO2 含量为 0.1630%。在这19 min的浇注过程中,钢水对中间包涂料侵蚀量的理论计算值为:

[35 kg ×(0 . 163 - 0 . 0509) % ] /8% =0 . 49 kg =490 g

式中: 35 kg为 20 kg的炭化稻壳和 5 kg × 3的引流剂的含量; 8%为示踪剂 ZrO2在中间包涂料中的含量。

照这样计算,钢水对中间包涂料每分钟的侵蚀量为 490 /19 =25 . 8 g。同时 ,试验中还发现,中间包衬层耐火材料不同层带中Al 2O3 含量不同,说明镁钙质耐火材料可吸附夹杂物,提高钢水清洁度。此冶金功能有待进一步试验与研究。

3 结论

(1)中间包内设置挡渣墙、坝及稳流器对保证夹杂物上浮有明显的效果,在其他控制条件基本相同的情况下, 70μm左右大小的夹杂物上浮的机率比自然浇铸状态下高10%~20% ,平均为 13 . 8%。

(2)由中间包镁钙质涂料衬层带入到钢坯内的夹杂量为每分钟25 . 8 g。

(3)中间包镁钙质耐火材料在其过渡层的变化中就对钢水的清洁度造成影响。

(4)提高中间包所用耐火材料的抗侵蚀性 ,可减少对钢水的污染。