連鑄中間包渣結殼機理研究

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，研究了中間包結殼渣的宏觀形貌、成分及微觀結構。發現，結殼渣的內部結構致密，氣孔較少，分為三層結構，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，促進了其它物質晶體的形核和長大，進而導致中間包渣結殼。研發覆蓋劑時應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，生產中應嚴格控制鋼包下渣量，提高中包砌筑質量，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量，提高保溫性能防止結殼。

關鍵詞：連鑄；中間包；覆蓋劑；結殼

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，對鑄坯的質量起到至關重要的作用^[1]。由于中間包冶金技術日益受到人們的重視，堿性包襯、堿性覆蓋劑以其優良的冶金性能，得到廣泛的應用。相關研究表明，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生成難熔物質，造成中間包渣層結殼，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^[6]。鑒于此，本文采用工業取樣的方法，利用掃描電鏡、能譜等設備，研究了中間包結殼渣的成分和微觀結構，希望以此發現中間包渣結殼的機理，為解決中間包渣結殼問題提供理論指導。

1研究方法

本實驗結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，結合能譜打點對物相成分進行分析。并結合生產工藝特點對中間包渣結殼原因進行了分析。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  中間包覆蓋劑化學成分（質量分數/%）

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

2  實驗結果與討論

2.1  結殼渣宏觀分析

工業取的原始樣及經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。通過觀察發現，該結殼渣的厚度約為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。結殼渣整體都比較致密，氣孔較少，這也是導致中間包渣保溫性能差易結殼的主要原因之一。

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結合能譜打點分析可知，結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、黑色區域處的鈣黃長石和少量呈深灰色網狀分布的硅酸二鈣。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的增加，中包中下渣量增多，導致中間包渣堿度升高，為生成硅酸二鈣創造條件，符合相圖規律。

熱力學數據^[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。從晶體析出動力學角度看，率先析出的硅酸二鈣可以誘導鈣黃長石晶體的成核和長大，進而誘導錳鎂硅酸鹽的成核和長大。SEM圖分析發現，硅酸二鈣呈小塊狀或網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。可以發現該覆蓋的成分位于點A處，屬于黃長石區域，當中間包內鋼包下渣量增多，中間包渣堿度升高后極易生成鈣黃長石等較高熔點物質。因此建議對于開發設計中間包覆蓋劑，應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。同時生產過程中，應提高中間包砌筑質量，嚴格控制鋼包下渣量，及時排渣防止中間包渣層過厚。另外應適量使用一些保溫或發泡劑等材料，增加中間包渣中的氣孔數量，提高保溫效果，降低中間包渣凝固結殼的風險。

3  結論

1) 中間包結殼渣有明顯的分層，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) 硅酸二鈣率先結晶析出，誘導鈣黃長石晶體形核長大，進而促進錳鎂硅酸鹽等物質晶體的成核和長大，從而使中間包渣凝固結殼。

3) 所用覆蓋劑的成分位于相圖中的黃長石區域，極易受堿度增加的影響生成鈣黃長石等較難熔物質，所以研發覆蓋劑時，應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，同時生產中要提高中間包工作層砌筑質量，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) 中間包結殼渣內部致密，氣孔較少，應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量，提高保溫效果，降低中間包渣結殼的風險。

參考文獻

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