连铸结晶器保护渣的熔化

连铸结晶器保护渣的熔化吴杰李正邦林功文MeltingofMoldShieldingSlaginContinuousCastingWuJie,LiZhengbangandLinGongwen(CentralIronandSteelResearchInstitute,Beijing100081)1保护渣熔化过程和机理保护渣在钢水面上形成了所谓粉渣层-烧结层-液渣层的三层结构。保护渣熔化过程为：(1)试样中有机物氧化(脱水和汽化)；(2)碳质料的燃烧损失，时间较长，说明了渣粒烧结和熔化过程的延缓程度，与渣内所含碳粒类型和数量有关；(3)熔化突然加快，取决于基料化学成分、矿物性质和粒度；(4)熔融。连铸保护渣随温度升高，其熔化过程如下：保护渣烧结层的形成机理为：首先是粉渣固相之间进行直接反应，而反应温度远低于反应物的熔点或它们的低共熔点。如果保护渣中存在着一些助熔剂，如碱金属的碳酸盐、氧化物、氟化物和玻璃质等，它们开始形成液相的温度远低于主要组成物质的低共熔温度，这些少量液相会在反应中起极大的作用。虽然液相不多，但对粉渣的固结起重要作用。液相将固体颗粒表面润湿，靠表面张力作用使粉渣颗粒靠近、拉紧、并重新排列。除了温度、压力、加热时间等因素外，凡是能促进外扩散及内扩散进行的因素都能促进粉渣烧结。如保护渣的细粉碎、多晶转变、脱水、分解等化学反应。固相化学反应的机理是离子在晶格中的扩散作用。这个作用对于一定的物质仅仅在一定的温度水平下才有可能，CaO+SiO2固相反应的开始温度为500～700℃［1］，但显微观察发现450～500℃一部分粒子已呈熔融状态［2］，随温度上升这种熔融液渣增多并浸润在基体粒子之间，不久基体粒子互相凝聚收缩。这与渣中添加的助熔剂有关。随着温度接近保护渣熔点，烧结相逐步熔成一个个小液珠(见图1)，小液珠相互接触就有可能集聚成大液珠。两个小液珠合并成一个大液珠时的吉布斯自由能变化只是由表面吉布斯自由能引起，即：ΔG=σss.ΔA。式中σss是液滴与固相渣间界面张力，ΔA是大液珠与2小液珠表面积之差，因ΔA＜0，所以聚合过程是自发的，σss越大聚合过程越容易进行，聚合的推动力是σss与液珠表面能之差，σss越大和表面能越小，则液珠越容易聚合。有些研究者认为，稳定的烧结层是保证熔渣层厚度的先决条件。只有液珠状的过渡层，才能以较快速度补充熔渣层［3］。图1液滴层示意图×110Fig.1Schematicofliquiddroplayer,×1102保护渣熔化速度在影响保护渣各层厚度的因素中，熔化速度直接关系到结晶器钢液面上能否形成稳定的三层结构和必需的液渣层厚度。影响保护渣熔化速度的因素见图2。一般来说，随着(a)渣中游离碳含量的减少；(b)碳颗粒粒度的增大；(c)保护渣颗粒度的增大；(d)拉速的增加及(e)渣中碳酸盐的分解，渣的熔化速度增大。图2影响保护渣熔化速度的因素Fig.2FactorsaffectingmeltingrateofShieldingslag3碳在保护渣熔化过程中的作用连铸保护渣由粉末状态(或颗粒态)变为熔融状态，是在其中碳粒子的控制下完成的。由于碳和基料间界面张力大，熔渣吸附、浸润和匀化含碳材料困难，对基料粒子的机械分隔能力、对液渣流动和汇聚的阻滞作用都很强［4］，因此除了能大大地延缓渣粉中低熔点化合物的生成和聚合外，还将起阻碍熔渣液珠聚合及下沉、控制保护渣的热传递和熔化速度的作用。附着在基料颗粒表面的碳粒随着保护渣熔化逐渐被烧损，其燃烧反应简图见图3。碳粒的氧化速度一是受初始氧化温度的影响；二是受碳粒比表面积的影响；三是受碳粒结构的影响［4］。图3碳颗粒燃烧反应简图Fig.3Schematicofcombustionreactionofgranularcarbon另外，有一现象很容易被多数研究人员忽视，那就是碳核的存在。由于保护渣基料大部分是离子结构，基料离子表面的离子键得不到满足，呈现极性，同时碳粒晶粒小(尤其是碳黑)，晶格扭曲，单位质量的比表面积大，位于表面不同部位的碳原子的价力不饱和，也呈极性，因此碳质料能牢固地与基料粒子吸附。有些碳粒在制渣或运输过程中，碳粒被基料包裹，恰是一个碳核，外面附着基料层或者附着于基料层当中，碳粒越细，含量越低，越能被基料粒子很好地和均匀地包裹(见图4)。只有待基料颗粒熔化后，碳粒才暴露出来，而此时上部渣层较厚，透气性较差，氧气很难渗透进来，这些碳和经烧损后残余的碳起到了阻隔液滴聚合的作用。图4碳核示意图×110Fig.4Schematicofcarboncore，×110作者简介：吴杰，男，30岁，博士研究生。作者单位：钢铁研究总院，北京100081参考文献1周取定.铁矿石造块理论及工艺.北京：冶金工业出版社，1989，882佐藤哲郎等.连铸保护渣熔融特性的改善.武钢技术，1995(4)：293蔡开科.连续铸钢.北京：科学出版社，1990.5164吴夜明，孙长悌.连铸保护渣中碳粉作用机构的探讨.钢铁，1989(7)：17