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      409不銹鋼結(jié)晶器結(jié)殼

      2011-08-28 06:02:22張彩軍涂冬梅
      關(guān)鍵詞:結(jié)殼水口鋼液

      張彩軍,涂冬梅

      (河北聯(lián)合大學冶金與能源學院,河北唐山 063009)

      0 引言

      在生產(chǎn)409不銹鋼時,鋼液中含有的活潑元素鈦與O、N結(jié)合生成TiO2、TiN等高熔點化合物,聚集在水口形成結(jié)瘤;流入結(jié)晶器上浮至鋼液面上導致結(jié)殼(也叫“結(jié)魚”或者冷皮);卷入坯殼,引起鑄坯表面缺陷。以上三大問題使生產(chǎn)這種鋼的難度大[1]。本文對結(jié)晶器液面結(jié)殼物的形成進行熱力學分析和計算,并討論了相應的避免措施。

      1 結(jié)晶器液面的結(jié)殼物

      有研究者得出[2]:409不銹鋼中結(jié)殼的主要物相有帶Al2O3或MgO·Al2O3芯的TiN、無芯的TiN、TiO2以及少量單質(zhì)Si和CaO·TiO2等夾雜。在澆注過程中,TiN與結(jié)晶器保護渣中的Fe2O3、SiO2反應放出N2,而且TiN與SiO2的反應要吸熱,這兩者結(jié)合使鋼液攪動劇烈,造成卷渣;氣體帶走部分熱量加上反應吸收的熱量使鋼液局部表面溫度下降,凝固后形成一種鋼渣、氣體、夾雜的疏松混合物,如圖1所示。

      圖1 不銹鋼結(jié)晶器液面結(jié)殼物的形成

      2 409結(jié)晶器液面結(jié)殼物形成的熱力學計算

      表1[3-7]列出了相關(guān)的熱力學數(shù)據(jù),表2是計算用409不銹鋼的化學成分。

      表1 部分相關(guān)的熱力學數(shù)據(jù) ΔGθ(J·mol-1)

      表2 409不銹鋼的化學成分范圍

      2.1 Al2O3夾雜物的形成

      轉(zhuǎn)爐中用鋁脫氧,鋼中較少量的鋁也能氧化生成三氧化二鋁。反應式為:

      式中:

      aAl2O3—Al2O3的活度,以純物質(zhì)為標準態(tài),取值為1;

      fAl,fO—分別為[Al]和[O]的活度系數(shù),以1%稀溶液為標準態(tài)。

      fAl和fO可以通過以下得到:

      經(jīng)計算得出:在1873K時,[Al]=0.001%反應即達到平衡。要減少或者說杜絕Al2O3的生成,就必須降低鋁含量,要求[Al]<0.001%。

      2.2 TiN 的形成

      式中:

      aTiN—TiN的活度,以純物質(zhì)為標準態(tài),值為1;

      fTi,fN—分別為[Ti]、[N]的活度系數(shù),以1%稀溶液為標準態(tài)。

      fTi和fN可以通過以下式子得到:

      經(jīng)計算得到 fN=0.32;fTi=4.31。當溫度 T 為1873K,w[Ti]·w[N]≥8 ×10-5時此反應即可發(fā)生。而鈦含量0.56%時,氮含量只要大于0.00014%即可。從圖2可知,氮鈦濃度積隨溫度的降低而減小。

      圖2 TiN穩(wěn)定存在的熱力學曲線

      鋼水中含有Al2O3、MgO·Al2O3等物質(zhì)時,生成的TiN以它們?yōu)楹诵?,形成有芯的TiN夾雜。

      2.3 CaO·TiO2的形成

      1)TiO2的來源

      (1)鋼液中的Ti直接與氧反應

      式中:

      aTiO2—TiO2的活度,以純物質(zhì)為標準態(tài),值為1;

      fTi,fO—分別為[Ti]、[O]的活度系數(shù),以1%稀溶液為標準態(tài)。

      fTi已經(jīng)在TiN的形成中計算出為4.31,通過以下式子可以得到fO:

      計算得知:fO為0.74。當溫度為1873K 時,w2[O]·w[Ti]=3.6×10-8反應達到平衡。當鈦含量為0.56%時,w[O]>2.5 ×10-4即可。

      (2)鋼-渣界面反應

      式中:

      aSiO2—SiO2的活度;

      aTiO2—TiO2的活度,以純物質(zhì)為標準態(tài),值為1;

      fTi,fSi—分別為[Ti]、[Si]的活度系數(shù),以 1%稀溶液為標準態(tài)。

      根據(jù)CaO-SiO2-Al2O3三元渣系等活度圖,得aSiO2=0.2,fSi由以下式子算出:

      計算得出:fSi=1.22。當 w[Ti]≥0.003%時,即可生成 TiO2。

      (3)渣中TiN與保護渣反應

      兩種反應物一起存在,則此反應將自行發(fā)生。

      2)CaO·TiO2的生成

      (1)加入Ca-Si合金后

      式中:

      aCaO—CaO的活度,以純物質(zhì)為標準態(tài),取值為1;

      fCa,fO—分別為[Ca]、[O]的活度系數(shù),以1%稀溶液為標準態(tài)。

      圖3 CaO穩(wěn)定存在的熱力學曲線

      由上式計算可得:fCa=1.35。當溫度為1873K 時,w[Ca]·w[O]=6.0×10-11反應達到平衡。當氧含量為0.003%,鈣含量只要超過2.0×10-8就能發(fā)生反應。圖3是CaO穩(wěn)定存在的熱力學曲線,從圖中可以看出,溫度越低,CaO穩(wěn)定存在所需的[%Ca]越小。

      (2)TiO2與CaO結(jié)合生成CaO·TiO2,熱力學上CaO·TiO2很穩(wěn)定,其反應式為:

      3 預防結(jié)晶器液面結(jié)殼的措施

      由上述可知,不銹鋼液面結(jié)殼的主要物質(zhì)是TiN、TiO2及CaO·TiO2等。為減少鑄坯表面缺陷,杜絕因為液面結(jié)殼導致的粘結(jié)漏鋼事故,可以從以下方面進行預防。

      1)鋼水

      較高的轉(zhuǎn)爐出鋼溫度和鋼水脫氧強度可以降低鋼水中的T[O]量,從而減小氧化物夾雜的生成;延長鋼水的鎮(zhèn)靜時間,使夾雜物充分上浮,提高鋼水的純凈度;降低鋼水中的[N]含量,減少TiN的生成;適當提高鋼水的澆注溫度,減少由于保護渣的熔化和坯殼與結(jié)晶器間的熱傳遞造成的熱量損失,以免彎月面溫度降低太大。

      2)水口插入深度

      水口插入太淺,結(jié)晶器內(nèi)鋼液面波動較大,容易卷渣;嚴重的擾動使液渣層不穩(wěn)定,保溫性能不好,液面容易結(jié)殼。水口插入太深,鋼液回流到鋼渣界面附近少,鋼液表面溫度降低,液面也容易結(jié)殼。

      有研究得出:409不銹鋼浸入式水口插入深度為150~160 mm時,結(jié)晶器液面穩(wěn)定,熱通量也能得到一定的提高,結(jié)殼現(xiàn)象減輕。

      3)拉速

      鑄機拉速低,從浸入式水口流入的鋼水流速小,結(jié)晶器內(nèi)的鋼水更新慢,對流現(xiàn)象緩慢,液面處的鋼水流動性不好,結(jié)殼現(xiàn)象嚴重。

      在保證能滿足409不銹鋼凝固特性和高溫力學性能的情況下,適當增大拉速,加大鋼水回熱以保證溫度穩(wěn)定,減少結(jié)殼現(xiàn)象。

      4)保護渣的選擇

      中性和堿性保護渣不能同化和吸收TiN,而酸性渣對TiN的吸收量也特別少,約5%。因此,需要在保護渣中配入一定量的Fe2O3或者是MnO將TiN轉(zhuǎn)換成能被保護渣同化、吸收的TiO2。

      為達到良好的絕熱保溫作用,采用顆粒保護渣、減弱保護渣的透氣性、保持“黑”渣操作;保證結(jié)晶器里的保護渣有合適厚度的粉渣層以提高彎月面區(qū)域的溫度等措施都可減輕結(jié)殼。

      4 結(jié)論

      1)409不銹鋼液面結(jié)殼物主要有TiN、TiO2、CaO·TiO2,它們堵塞鑄坯與銅板間的液渣流入,惡化潤滑性能;卷入坯殼,造成鑄坯表面缺陷,降低成材率,提高成本。

      2)通過計算可知:1873K時,[Al]<0.001%不能生成 Al2O3,從而減少 TiN 結(jié)殼的依附物質(zhì);[%Ti]·[%N]<8 ×10-5可防止 TiN 的直接生成;[%Ca]<2.0 ×10-8可有效避免 CaO·TiO2夾雜的生成,從而減少甚至避免結(jié)殼現(xiàn)象的發(fā)生。

      3)通過提高鋼水純凈度、調(diào)整出合適的浸入式水口深度和鑄坯拉速、提高保護渣的保溫性能等措施可以有效地控制結(jié)晶器液面結(jié)殼。

      [1]張國棟.材料研究與測試方法[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2002:123-173.

      [2]Maddalena R,Rastogi R,El-Dasher B,et al.Nozzle Deposits in Titanium Treated Stainless Steels[C].57thElectric Furnace Conference Proceedings,Iron and steel society/AIME,2000:811-831.

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      [7]鄭宏光,陳偉慶,陳宏等.鈦穩(wěn)定化321不銹鋼連鑄結(jié)晶器“結(jié)魚”的研究[J].特殊鋼,2004,25(4):50-52.

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