包晶钢连铸保护渣渣膜凝固结构特征研究

发布时间：2020-07-02 11:15

【摘要】：连铸保护渣是钢铁冶金中不可或缺的重要辅料,对提高连铸坯表面及皮下质量、维持连铸过程顺行起着重要作用。包晶钢裂纹敏感性较强,目前一般采用高碱度保护渣控制坯壳向结晶器壁的传热,以抑制铸坯纵裂的产生,但容易造成粘结甚至漏钢等润滑不良现象。随着连铸技术的发展,包晶钢连铸过程中保护渣控制传热和润滑铸坯的矛盾越发不可调和,已严重阻碍连铸效率和产品质量的提高。由于保护渣控制传热与润滑铸坯的功能由坯壳与结晶器壁间的固、液渣膜实现,因此明确渣膜在凝固过程中的行为特性,对协调渣膜控制传热与润滑铸坯功能间的矛盾至关重要。为了研究渣膜凝固结构演变规律,本文首先建立一维有限差分传热模型,解析水冷铜探头冷凝获取固渣膜和热流数据的过程及影响因素。针对传统大尺寸水冷探头获取固渣膜结构代表性不强,热流数据重现性较差的问题,研究了探头尺寸、液渣温度的稳定性对固渣膜结构及热流数据的影响。在此基础上,选取现场应用的传统高碱度保护渣(R=1.38)、新型超高碱度保护渣(R=1.74)、CaO-SiO_2-CaF_2基低碱度保护渣(R=0.88)及CaO-SiO_2-Na_2O基低氟和无氟保护渣,使用改进的小尺寸大宽厚比水冷探头获取不同液渣温度和探头浸入时间下的固渣膜,分析对比不同保护渣固渣膜凝固结构演变规律、影响因素和对传热的影响。传热模型计算表明:水冷探头获取渣膜实验中,液渣温度的稳定性对固渣膜结构及热流数据的影响显著。改进的小尺寸大宽厚比水冷探头获取的热流数据和固渣膜结构更具代表性。固渣膜结构演变分析表明:高碱度保护渣渣膜与铜壁接触表面粗糙度均在渣膜凝固初期形成,与渣膜和铜壁接触表面开放气孔生成有关,与渣膜结晶行为无直接关系;本实验条件下,超高碱度固渣膜表面初始粗糙度较大,且受液渣温度波动影响小,利于渣膜凝固初期迅速控制传热。不同液渣温度和凝固时间下,获得的超高碱度渣膜与铜壁接触表面粗糙度平均水平Ra=3~5μm,传统高碱度渣膜粗糙度平均水平Ra=1.5~4μm。传统高碱度渣膜总体闭孔率随渣膜凝固增厚呈降低趋势,超高碱度渣膜闭孔率则保持在较高水平,抑制了固渣膜厚度的快速增长,增加了液渣温度波动时固渣膜厚度的均匀性。传统高碱度及超高碱度渣膜脱玻璃层中的大尺寸孔洞均在析晶前形成,并参与传热控制。超高碱度保护渣渣膜中枪晶石呈板条状,渣膜凝固前沿板条状枪晶石的析出,保持或增加了固渣膜总体闭孔率。在闭孔率基本相同的条件下,传统高碱度及超高碱度全结晶保护渣导热系数为3.17~3.67 W/m K,两者没有明显差别。与高碱度保护渣不同,低碱度保护渣渣膜与铜壁接触表面光滑,无开放孔洞参与粗糙度形成,粗糙度Ra=1.08~2.67μm,较小的粗糙度不利于渣膜凝固初期迅速控制传热。且低碱度初生渣膜闭孔率较小,不超过5 vol%,但随凝固时间增加而有所增大。CaO-SiO_2-Na_2O基无氟和低氟保护渣渣膜表面粗糙度平均水平Ra=2~3.5μm,但受液渣温度波动影响大,不利于均匀控制传热。渣膜的表观密度和真密度随凝固进行逐渐增加,与高碱度高氟保护渣相比,本实验用无氟和低氟保护渣初生渣膜表观密度较大,闭孔率较小。基于上述研究结果,对开发的超高碱度系列保护渣进行了大规模现场试验,结果表明超高碱度连铸保护渣使用过程中润滑良好,结晶器热流密度稳定,铸坯表面质量稳步提高。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TF777

【参考文献】