随着钢铁工业技术的发展,高速连铸技术已被国内外钢铁企业普遍采用,其中结晶器保护渣对稳定高速连铸生产工艺,提高连铸坯质量和铸机生产率起着重要作用。高速连铸技术对结晶器保护渣提出了更严格的要求。
结晶器与连铸坯坯壳之间的缝隙内凝固渣膜结晶组织对结晶器与铸坯间的传热及润滑产生重要影响,进而影响铸坯质量。本文针对薄板坯高速连铸SS400钢种所用结晶器保护渣的凝固组织、结晶矿相及析晶率开展研究,分析了凝固渣膜组织对结晶器与铸坯间传热与润滑的影响。所研究试样取自生产现场的薄板坯连铸结晶器内壁。
1 实验条件
利用Quanta 400环境扫描电镜、PHILPS—PW1700型X射线衍射仪和Axiovert25型多功能光学显微镜等仪器设备,对薄板坯连铸SS400钢种的结晶器保护渣固态渣膜进行凝固组织分析,研究渣膜结构,结晶矿相及渣膜析晶率,分析固态渣膜在连铸过程中控制传热和润滑的机理。
1.1 浇注工艺参数和连铸保护渣性能
SS400薄板坯连铸的浇注工艺参数见表1;所用保护渣的成分及性能指标见表2。
1.2 固态渣膜试样的制备
光学显微镜用试样的制备:将固态渣膜断口磨平,放入镶样机中,磨光面向下,盖上镶样剂,轻微加压,150℃保温15 min,取出后冷却,制成高1.5 cm、直径1.5 cm左右的圆柱体。然后将镶好的试样再次磨光、抛光,最后用4 %硝酸乙醇溶液腐蚀15 s左右,以备在光学显微镜下观察。
X射线衍射仪用试样的制备:将1片渣膜的玻璃质部分磨去,只保留晶体质渣膜,以检测分析晶体质渣膜中包含哪些矿物;再将另一片渣膜的晶体质部分磨去,只保留玻璃质渣膜,以检测玻璃质渣膜中是否含有某些矿物。分别将晶体质渣膜和玻璃质渣膜研磨成细粉,以备X射线衍射之用。
2 实验结果及分析
2.1 保护渣固态渣膜结构分析
2.1.1 固态渣膜厚度
观察取回的小片渣膜,厚度不一,大都在0.6～1.3 mm范围内。这是因为渣膜取自结晶器弯月面下距离不同的部位。P.O.Hooli研究认为[1],固态渣膜的特征取决于距弯月面的距离,在弯月面附近(在距弯月面10 cm内),固态渣膜很薄(小于0.1 mm),且元素分布比较均匀;越远离弯月面(距弯月面超过20 cm),固态渣膜越厚(达1.7 mm),且元素偏析越严重。距弯月面越远,固态渣膜越厚,热阻越大,热量散失越缓慢,这与R.B.Mahapatra等人的结论相一致,见图1[2],无论对于板坯结晶器的宽面,还是窄面,越远离结晶器顶部,热流量越小。固态渣膜变厚,是造成该现象的原因之一。因此,提高固态渣膜厚度,降低穿过结晶器壁的热流量,使坯壳缓慢冷却,可减少中碳钢连铸坯纵向裂纹的发生率。
2.1.2 固态渣膜结构
观察取回的渣膜,绝大多数呈3层结构:结晶层-玻璃层-结晶层,固态渣膜试样断口在显微镜下的形貌见图2。靠结晶器一侧为结晶层,表面光滑,较薄,厚度在0.1~0.14 mm,晶粒细小、致密;而靠坯壳一侧也为结晶层,表面粗糙,较厚,厚度在0.3～0.7 mm,晶粒粗大,对该结晶层进一步放大(见图3),析出一条条矛头枪状的晶体,初步确定为枪晶石(3CaO·2SiO2·CaF2),晶体间有气孔均匀分布;两结晶层之间为玻璃层,呈均质、致密状。结晶层与玻璃层的界面比较清晰,界面处有气孔分布。
根据结晶热力学和动力学原理,高温熔融的渣液流入结晶器与坯壳间的缝隙,靠结晶器壁一侧因急冷理应形成玻璃层,但实际上却为0.1～0.14 mm厚的结晶层,这可能是渣膜与结晶器壁间存在较大的界面热阻,使热流不能及时导出,导致渣膜回热而脱玻化的结果[3]。
2.1.3 固态渣膜的析晶率
按结晶层厚度之和占固态渣膜总厚度的百分率来计算析晶率,测得渣膜析晶率为40 %～80 %。通过调整结晶器壁和铸坯坯壳之间熔渣中析出的结晶相的比率,可以控制铸坯向结晶器的传热。R.tylor和K.C.Mills等人的研究表明,结晶层的导热率通常高于玻璃层,然而,在结晶过程中结晶相的体积变化导致微裂纹的产生,因而使得结晶层的导热率降低[4]。故提高固态渣膜的析晶率,可以降低流过整个结晶器板面上的热流和热梯度,有助于减少铸坯纵裂纹。因此,根据不同钢种对结晶器传热的不同要求,适当调整固态渣膜的析晶率,即调整固态渣膜中结晶层和玻璃层的比例,可达到改善结晶器传热、控制铸坯表面缺陷产生的目的。所研究的结晶器保护渣用于SS400钢种,钢种w(C)=0.16 %～0.20 %,裂纹敏感性较强,所以,通过适当提高渣膜析晶率,可消除铸坯表面纵裂纹的产生。
2.2 沿渣膜厚度方向各元素的分布
在沿固态渣膜试样厚度方向上从铸坯侧到结晶器侧连续选取了等距离分布的8个点,分别作点扫描,以检测沿渣膜厚度方向上各元素在结晶相和玻璃相中的分布情况。
经检测发现,存在于固态渣膜中的元素主要是O、F、Na、Al、Si、Ca。而没检测出C元素,认为在粉渣熔化过程中,碳基本上已被烧掉了。
元素在渣膜厚度方向上的分布情况见图4。
图4中的前3点位于靠铸坯侧的晶体层,后5点位于玻璃相中。由图4可以看出,在玻璃相中,各元素分布比较均匀,玻璃相是均相的,不存在元素的偏析现象,即可推断玻璃层中没有任何矿物析出;而在靠铸坯侧的结晶层中,存在明显的元素偏析现象,说明某些元素已聚集在一起,形成不同矿相。比如在第3点位置,F、Ca含量达到峰值,可推断此处可能析出矿物枪晶石(3CaO·2SiO2·CaF2),由图3可发现一条条矛头枪状的晶体,可证实这一推断。
2.3 渣膜矿相分析
本次实验使用的是PHILPS—PW1700型X射线衍射仪,Cu靶,加速电压40 kV,电流40mA。对研磨好的晶体质渣膜和玻璃质渣膜细粉分别作X射线衍射,结果见图5和图6。
图5(a)为晶体渣膜的X射线衍射图,参照ASTM卡(国际粉末衍射标准卡片)发现,其峰值与图5(b)成分为Na2O·Al2O3·2SiO2的矿物和图5(c)枪晶石(3CaO·2SiO2·CaF2)峰值基本吻合,表明结晶矿相中含有枪晶石和Na2O·Al2O3·2SiO2矿物。另外,通过对照ASTM卡还可以肯定没有霞石(Na2O·Al2O3·2SiO2)、硅灰石(CaO·SiO2)、钙长石(CaO·Al2O3·SiO2)、钙黄长石(2CaO·Al2O3·SiO2)等矿物。
图6为玻璃相X射线衍射图,只有一个大峰,属于典型的玻璃相衍射图,不含任何结晶矿相。扫描电镜对玻璃相的扫描结果,也说明了这一点。
我们知道,枪晶石导热能力较差,通过调整枪晶石在结晶相中的比例,可改善通过结晶器的热流,从而控制连铸坯表面缺陷的产生。
3 结 论
通过以上检测结果及分析,可得出如下几点结论:
(1)所研究的CSP固态渣膜厚度在0.6～1.3mm,固态渣膜越厚,热阻越大,热量散失越缓慢。
(2)绝大多数固态渣膜呈3层结构:结晶层-玻璃层-结晶层,晶体间有气孔均匀分布,且晶体层存在明显的元素偏析现象,而玻璃层呈均匀致密状。
(3)所研究的CSP固态渣膜的析晶率在40 %～80 %范围内,结晶矿相主要为枪晶石(3CaO·2SiO2·CaF2)和矿物Na2O·Al2O3·SiO2。通过控制枪晶石的析晶率,可控制穿过结晶器的热流,从而改善铸坯表面质量。
[参 考 文 献]
[1]P O Hooli. Mould flux film between mould and steel shell [J]. Ironmaking and Steelmaking,2002,29(4):293-296.
[2]R B Mahapatra, J K Brimacombe and I V Samarasekera. Mold behavior and its influence on quality in the continuous casting of steel slabs[J]. Metallurgical Transactions,1991,22(12):875-888.
[3]申俊峰,庞智杰.结晶器保护渣渣膜的研究[J].炼钢,1998,(4):31-33.
[4]R Taylor and K C Mills. Physical properties of casting powers:part 3 thermal conductivity of casting powders[J].Ironmaking and Steelmaking,1988,15(4):187-194.
