连铸工艺、设备--06连铸保护浇注

第六章连铸保护浇注§6—1钢水二次氧化与钢的清洁度一.钢清洁度及铸坯中夹杂物的特征1.钢的清洁度：指钢中非金属夹杂物的数量、尺寸、分布和形态。2.连铸坯夹杂物按来源分类：A.内生夹杂物在液体或固体钢内，由于脱氧和凝固时进行的各种物理化学反应而形成的夹杂物。重要是和钢中氧、硫、氮的反应产物。特征：分布均匀；颗粒细小。B.外来夹杂物从炼钢到浇注的全过程中，钢液与空气、耐火材料、炉渣相互作用的产物以及耐火材料、熔渣等在冶炼、出钢、浇注过程中进入钢中并滞留在钢中造成的夹杂物。特征：组成复杂、外形不规则；尺寸比较大；偶然地在这里或那里出现。连铸坯中外来夹杂物主要来源：A.二次氧化产物浇注过程中钢包和中间包的钢水注流，结晶器液面裸露与大气接触作用的生成物，也是钢中氧的来源。二次氧化生成夹杂物特征：a.组成复杂，一般是多种氧化物组成的复合相；b.颗粒尺寸大，一般大于50μm。c.形状不规则，有球形、多角形等；d.在钢中呈偶然性分布；e.平衡氧差异，二次氧化是钢中溶解元素与空气中O2之间的平衡，空气中O2可源源不断供给钢液进行氧化反应生成二次氧化产物。提高连铸坯洁净度的关键是防止钢水在浇注过程中的二次氧化。B.卷渣包括漩涡卷渣和钢流冲击卷渣。C.耐火材料的熔损物高温下钢包和中间包内衬、水口、塞棒等耐火材料与告诉作用被熔损、冲刷而进入钢中。3.连铸坯夹杂物的特征A.夹杂物来源广泛。B.夹杂物去除困难。C.夹杂物对钢的危害大。D.由于连铸工艺工序多，浇注时间长，热损失多，所以要求钢水温度相应高一些，这样与大气、耐火材料作用的能力增强了，更容易生成夹杂物。二.夹杂物对钢的性能的影响（考虑夹杂物的数量、颗粒大小、形态及分布。）1.夹杂物和裂纹的形成及应力集中⑴夹杂物与裂纹的形成裂纹的生成与夹杂物有密切关系。这是由于比较容易变形的金属在难以变形的夹杂物周围塑性流动时，产生很大的张力而使金属和夹杂物界面的联结断裂，形成空隙。显然这种空隙容易发生在和金属基体联结能力弱的夹杂物处。另外一种情况则是由于夹杂物周围的应力而使夹杂物破碎生成空隙。⑵夹杂物与应力集中如果材料中有非金属夹杂物，则应力分布不再均匀，出现应力集中现象，即在与夹杂物端部相毗邻的金属基体处应力急剧升高。2.夹杂物对钢的塑性和韧性的影响⑴夹杂物与塑性第二类硫化物夹杂对钢的塑性影响最坏。⑵夹杂物与韧性夹杂物对钢材韧性的影响，是通过它对韧性断裂过程的影响而起作用的。3.夹杂物对钢的疲劳性能的影响取决于夹杂物的类型、大小、数量和分布。4.夹杂物对钢的加工性能的影响硫化物夹杂使钢的热加工性能变坏。钢中长条状夹杂物使钢的冷弯性能出现各向异性。§6—2浇注过程中二次氧化源浇注过程二次氧化源是：A.注流与空气接触直接吸氧；B.中间包、结晶器钢液面与空气相互作用；C.钢水与耐火材料、保护渣相互作用；D.卷入的渣滴与钢水相互作用。连铸过程二次氧化源：1—钢∕空气；2—渣∕钢；3—包衬∕钢；4—卷入气泡和炉渣质点；5—耐火材料∕钢；6—保护渣∕钢一.注流与空气相互作用若钢包注流为光滑的圆柱体，长度为l、直径为d，则注流比表面积为：F＝S∕G=πdl∕(πd2∕4)lρ＝4∕ρd可见：1.注流比表面积与水口直径成反比。比表面积越大，空气二次氧化越严重。（中间包注流比钢包注流二次氧化严重。）2.注流比表面积还与注流形态有关。光滑致密注流有最小表面积，吸氧少（0.7ppm）。粗糙注流和散流吸氧大大增加（20～40ppm）。注流形态还与水口凝钢、结瘤有关。二.钢液与空气相互作用1.注流卷入空气从钢包（或中间包）水口流出的高速注流，在周围形成了一个负压区，把大量空气卷入中间包（或结晶器）熔池中。注流卷入空气有四种方式：⑴注流为光滑的层流；⑵注流处于层流与紊流的过渡区；⑶注流表面为高度的紊流；⑷注流分裂成液滴散流。2.钢液表面更新吸氧浇注过程中中间包、结晶器钢液表面不断更新吸O2比静止液面要严重得多。注意：钢液中含有易氧化元素如Al、Ti、Si、Cr，最倾向于形成表面浮渣或氧化渣皮，如不捞出或被保护渣吸收，易卷入凝固壳表面形成夹渣缺陷，或者嵌入凝固壳形成“热点渣斑”，甚至造成出结晶器漏钢。三.钢液与耐火材料作用1.机械冲蚀高温钢水使砖衬表面和砖缝发生软化，软化层被钢水冲刷而进入钢水中来不及上浮。这类夹杂物组成和原始耐火材料组成基本相近。2.化学作用溶解在钢中的某些元素与耐火材料中氧化物发生还原反应生成氧化产物，并与其它夹杂物相结合，形成的复合夹杂物与耐火材料成分相差较大。⑴钢水与包衬耐火材料之间反应含Al的钢水与中间包耐火材料中的SiO2会发生以下反应：4[Al]＋3（SiO2）=3[Si]＋2（Al2O3）生成的Al2O3与卷入钢水中的炉渣质点结合生成CaO·Al2O3类夹杂物残留于钢中，同时钢中Al含量有所降低，而Si含量有所增加。所以钢包、中间包衬不用酸性粘土砖，而用高铝质（Al2O3大于85％）材料。连铸高质量钢（如深冲用铝镇静钢）时，中间包采用镁质绝热板，或砖砌包衬表面用镁质涂层，以防止上述反应的发生，提高钢水清洁度。②钢水与水口耐火材料相互作用熔融石英质水口不能浇高锰钢的原因是发生了以下反应：2[Mn]＋（SiO2）＝2（MnO）＋[Si]（MnO）＋（SiO2）＝MnO·SiO2四.钢液与渣相的相互作用1.转炉出钢时，高碱度高氧化性的渣子进入钢包，使加入的铁合金回收率不稳定；悬浮在钢水中的渣滴在上浮过程中会与钢水中的Al、Si、Mn等元素发生化学反应，成为铸坯中夹杂物来源之一。2.钢包渣中（FeO＋MnO）含量越高，钢水中∑[O]也就越高。因此转炉出钢时应采取挡渣措施，尽量减少下渣，同时也要防止钢包渣下到中间包，以免影响中间包钢水质量。五.渣相与耐火材料的相互作用残留在钢水中的二次氧化产物和卷入的炉渣，与耐火材料相接触会产生严重的侵蚀作用。§6—3浇注过程中钢液二次氧化产物的形成一.二次氧化产物形式模式1.硅镇静钢⑴对脱氧情况钢中溶解[O]与Al结合生成Al2O3，当Al氧化完了仍有少量[O]与Si、Mn反应，直到所有的溶解[O]都结合了，结果形成一个小的夹杂物。钢中溶解[O]限制了反应进行的程度，一旦[O]没有了反应也就停止。⑵对二次氧化情况空气中的O2可源源不断供给钢液表面，[O]与[Al]结合的同时，也与Si、Mn反应直到这些元素消耗殆尽为止，因而生成夹杂物粒径较大。二次反应产物含弱脱氧元素Si、Mn较多，强脱氧元素Al较少。硅镇静钢夹杂物形成示意图：2.铝镇静钢⑴对脱氧情况当钢中[Al]＞0.01%时，钢中溶解[O]很低，钢中[O]全部与Al结合生成Al2O3，而没有[O]与Si、Mn反应，故夹杂物全部为Al2O3。⑵对二次氧化情况空气中大量供O2，首先是钢液表面Al大量氧化生成Al2O3，如钢流暴露在空气中时间短，且Al含量高，钢中Al不会全部氧化掉，如暴露时间长了就有Si、Mn同时氧化。因此二次氧化产物是随Si、Mn氧化程度而不同的。开始生成大块的群状Al2O3，然后生成多相的球形夹杂或单相的硅酸盐夹杂。二.钢中夹杂物起源的追踪在连铸坯中发现的夹杂物组成复杂，形状各异，很难区分夹杂物属于哪一种来源。为区分铸坯中夹杂物来源，采用示踪法来追踪夹杂物起源，可为改进工艺指明方向。如转炉渣加BaCO3、中间包渣加La2O3、结晶器渣加Ce2O、中间包衬加ZrO2。如铸坯夹杂物中发现有BaO、La2O3，说明有转炉渣和中间包渣下到结晶器而卷入铸坯；铸坯夹杂物中含有Ce2O和ZrO2，说明有包衬耐火材料侵蚀和保护渣的卷入。对弧形连铸机铸坯夹杂物示踪试验指出，浇注过程中构成铸坯中夹杂物的贡献是：出钢氧化10％，脱氧产物15％，炉渣卷入5％，浇注二次氧化40％，耐火材料侵蚀20％，中间包渣10％，这说明铸坯中夹杂物基本上是外来夹杂物。§6—4二次氧化量度的评价一.中间包Al平衡法对Al镇静钢，可用钢包→中间包→铸坯中酸溶[Al]的损失来衡量二次氧化。从钢包→中间包钢水酸溶Al损失包括：1．从钢包→中间包注流氧化损失；2．中间包覆盖渣和包衬对Al的氧化损失；3．注流冲击区卷入空气对Al的氧化损失；4．中间包水口对钢水Al氧化损失。浇注过程二次氧化示意图：1—钢包；2—中间包；3—结晶器；4—板坯二．钢水氮平衡浇注过程中钢水从空气吸O2的同时也从空气中吸N2，钢水中氧含量的增加也表现为钢中[N]含量增加。而钢水中[N]的来源比较单一，主要是来源于空气，因此，可用钢中[N]含量的增加来指示钢水二次氧化的程度。三．钢中总氧量钢中总氧量[O]总＝[O]溶解＋[O]结合[O]溶解—自由氧或氧活度a，可用氧探头直接测定。当钢液脱氧后，与溶解在钢中的元素相平衡的溶解氧是很低的。如钢中[Al]＝0.01％，与之相平衡的[O]﹤10ppm。[O]结合—以内生和外来夹杂物的形式分布于钢中，目前还不能在线直接测定钢中的结合氧。从钢包→中间包→结晶器→铸坯中[O]总的增加，也就指示了浇注过程中钢水二次氧化程度。§6—5防止二次氧化的对策在连铸过程中，从钢包→中间包→结晶器采用全程保护浇注，是防止二次氧化的有效措施。一．保护介质的工艺功能1.把液体金属与空气隔开防止二次氧化；2.减少中间包、结晶器钢液面的热辐射损失，防止表面结壳；3.吸收从钢液中上浮的夹杂物；4.在结晶器壁与凝固坯壳之间起润滑作用。二.保护浇注方法1.气体保护法：Ar。2.液体保护剂：菜籽油（或石蜡）。3.固体保护剂：中间包液面覆盖剂、结晶器液面保护渣。4.物理保护法钢包→中间包注流采用Al—C质长水口；中间包→结晶器注流采用浸入式水口。5.其它方法出钢挡渣；防止下渣；中间包使用碱性耐火材料（镁质、镁铬质）