连铸中间包渣结壳机理研究

盖少群，丁胜利，张文涛

（河钢股份有限公司承德分公司，河北承德 067102）

摘  要：采用工业取样的方法，利用宏观观察、扫描电镜、能谱等分析手段，研究了中间包结壳渣的宏观形貌、成分及微观结构。发现，结壳渣的内部结构致密，气孔较少，分为三层结构，上部分呈灰绿色主要成分为锰铝硅酸盐，中间部分呈棕褐色主要成分为锰镁硅酸盐，下面部分呈黑色主要成分为钙黄长石、锰镁硅酸盐和少量的硅酸二钙，且硅酸二钙率先析出，促进了其它物质晶体的形核和长大，进而导致中间包渣结壳。研发覆盖剂时应充分考虑钢包下渣量及中间包工作层侵蚀对中间包渣成分的影响，生产中应严格控制钢包下渣量，提高中包砌筑质量，增加碳化稻壳使用量或引入其它保温材料，提高中间包渣中密闭气孔的数量，提高保温性能防止结壳。

关键词：连铸；中间包；覆盖剂；结壳

Research on the Mechanism of Tundish Slag to Form the Solidified Crusts for Continuous Carting

Gai Shaoqun, Ding Shengli, Kang Yi, Wu Yuchen, Zhang Wentao, Yu Jianbo, Hu Tiejun

（HBIS Company Limited Chengde Branch, Chengde 067102, Hebei, China）

Abstract：The composition, macroscopic, micro-structure of tundish skull slag were analyzed by methods of macroscopic observation and SEM-EDS. The sample got from an industrial plant. The results showed that, the structure of tundish skull slag was fine and closed. Sealed porosity were few. Tundish skull slag had three layers.The upper layer was grey-green, which the main ingredient was manganese-aluminum silicate. The middle layer was chocolate brown, which the main ingredient was manganese-magnesium silicate. The lost layer was black, which the main components were manganese-magnesium silicate, anorthite and dicalcium silicate. Dicalcium silicate first precipitated, promoting the nucleation and growth of other material crystals, resulting in tundish slag crust. In the development of covering agent, the influence of ladle slag and tundish layer erosion on tundish slag composition should be considered. The slag quantity of ladle should be controlled strictly in production, and the quality of tundish masonry should be improved. For preventing crusting, the amount of carbonizing rice hull or other insulation materials should be Increased, for raising the number of airtight pores in tundish slag, improving the insulation performance.

Key words：Continuous casting；Tundish；Covering flux；Solidified crust

引言

随着人们对钢水洁净度的要求不断提高，中间包作为钢液浇铸成型前的最后一个耐材容器，对铸坯的质量起到至关重要的作用^[1]。由于中间包冶金技术日益受到人们的重视，碱性包衬、碱性覆盖剂以其优良的冶金性能，得到广泛的应用。相关研究表明，增加覆盖剂的碱度可以降低渣中的a_SiO2，减少[Al]s损失，从而降低钢水被渣氧化的可能性，并且提高覆盖剂的碱度对防止钢液回磷、回硫、提高夹杂物的吸附能力等作用效果显著^[2~5]。但碱性中包覆盖剂熔点较高，且易与钢渣、引流砂及中包工作衬侵蚀脱落物反应生成难熔物质，造成中间包渣层结壳，严重影响塞棒的开启和上下移动，降低包渣的保温及其它冶金效果，增加了人工测温的难度和危险性，严重影响了连铸的正常生产^[6]。鉴于此，本文采用工业取样的方法，利用扫描电镜、能谱等设备，研究了中间包结壳渣的成分和微观结构，希望以此发现中间包渣结壳的机理，为解决中间包渣结壳问题提供理论指导。

1研究方法

本实验结壳渣试样取自河钢承钢板坯连铸机中间包浇次中期，取样位置选在中间包靠近中心位置附近，中包钢水温度控制在1525-1545℃。待试样冷却后，将试样纵向切割开，观察截面宏观形貌，进而取一小块试样磨平、喷金处理后，用扫描电镜观察微观形貌，结合能谱打点对物相成分进行分析。并结合生产工艺特点对中间包渣结壳原因进行了分析。中间包工作层（干式料）的理化指标如表1所示，覆盖剂的化学成分如表2所示。

表1  中包工作层（干式料）理化指标

Table 1  Physical and chemical index of tundish working layer(dry ramming mix)

表2  中间包覆盖剂化学成分（质量分数/%）

Table 2  Chemical compositions of tundish covering flux(mass fraction/%)

2  实验结果与讨论

2.1  结壳渣宏观分析

工业取的原始样及经切割磨平后的试样如图1所示，切割后的试样由于最下面一层较脆，大部分脱落，所以最下面的黑色层不太明显。通过观察发现，该结壳渣的厚度约为45~60mm，上表面较为致密有光泽，下表面凹凸不平有部分铁屑残留，有明显的分层现象，上部分呈灰绿色石头状，中间部分呈棕褐色，下部分呈黑色。结壳渣整体都比较致密，气孔较少，这也是导致中间包渣保温性能差易结壳的主要原因之一。

2.2  扫描电镜及能谱分析

用扫描电镜观察结壳渣上层与中间层接合处位置，及中间层与下层接合处位置的微观形貌如图2所示。由图2结合能谱打点分析可知，结壳渣上层主要成分为灰白色的锰铝硅酸盐，中层主要成分为灰色呈长条状分布的锰镁硅酸盐，下层主要成分为锰镁硅酸盐、黑色区域处的钙黄长石和少量呈深灰色网状分布的硅酸二钙。由于河钢承钢炼钢所用的铁水磷、硫含量较高，为了满足所炼钢水成分要求，炼钢过程中加入的石灰较多，钢渣碱度大，浇铸过程中随着连浇炉数的增加，中包中下渣量增多，导致中间包渣碱度升高，为生成硅酸二钙创造条件，符合相图规律。

热力学数据^[7]分析表明，硅酸二钙的熔点为2130℃，钙黄长石的熔点为1593℃，均比钢水及锰镁硅酸盐、锰镁硅酸盐高很多，因此在结壳过程中，硅酸二钙和黄长石必然先于锰镁硅酸盐和锰铝硅酸盐析出。从晶体析出动力学角度看，率先析出的硅酸二钙可以诱导钙黄长石晶体的成核和长大，进而诱导锰镁硅酸盐的成核和长大。SEM图分析发现，硅酸二钙呈小块状或网状分布在大块的钙黄长石和锰镁硅酸盐晶界之间，这是初始晶体形核，促进其它晶体析出的佐证。另外由于硅酸二钙和钙黄长石存在于结壳渣的最下层，离钢水液面最近，必然最先析出，进而促进其它物相的析出。

将简化后的覆盖剂成分标于CaO-SiO₂-Al₂O₃-10%MgO相图中，如图3所示。可以发现该覆盖的成分位于点A处，属于黄长石区域，当中间包内钢包下渣量增多，中间包渣碱度升高后极易生成钙黄长石等较高熔点物质。因此建议对于开发设计中间包覆盖剂，应当充分考虑钢包下渣量，中间包工作衬的腐蚀，引流砂等情况对中间包渣成分的影响。同时生产过程中，应提高中间包砌筑质量，严格控制钢包下渣量，及时排渣防止中间包渣层过厚。另外应适量使用一些保温或发泡剂等材料，增加中间包渣中的气孔数量，提高保温效果，降低中间包渣凝固结壳的风险。

3  结论

1) 中间包结壳渣有明显的分层，上层呈灰绿色，主要成分为锰铝硅酸盐；中间层呈棕褐色，主要成分为锰镁硅酸盐；下层呈黑色，由锰镁硅酸盐、钙黄长石和少量的硅酸二钙组成。

2) 硅酸二钙率先结晶析出，诱导钙黄长石晶体形核长大，进而促进锰镁硅酸盐等物质晶体的成核和长大，从而使中间包渣凝固结壳。

3) 所用覆盖剂的成分位于相图中的黄长石区域，极易受碱度增加的影响生成钙黄长石等较难熔物质，所以研发覆盖剂时，应充分考虑钢包下渣量、中间包工作层侵蚀等情况对中间包渣成分的影响，同时生产中要提高中间包工作层砌筑质量，严格控制钢包下渣量，及时排渣，防止引起中间包渣碱度过高。

4) 中间包结壳渣内部致密，气孔较少，应当适量增加碳化稻壳等保温材料的使用量，提高中间包渣中的密闭气孔数量，提高保温效果，降低中间包渣结壳的风险。

参考文献

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