（材料学专业论文）连铸保护渣吸附夹杂能力的研究.pdf

鞍山科技大学硕士论文摘要 摘要 炼钢生产过程中的最终产品是钢坯，钢中非金属夹杂物影响着钢坯的 各种性能，保护渣吸附夹杂物的能力直接影响着钢坯的质量。本文针对 a 1 2 0 3 夹杂，在考虑熔化温度和碱度两种因素的基础上，配制了多种保护 渣配方。通过向保护渣中加入不同含量的a 1 2 0 3 夹杂，对连铸保护渣吸附 夹杂的能力进行分析；研究了保护渣在吸附不同含量a 1 2 0 3 夹杂后熔化温 度、粘度和表面张力的变化，并利用o r i g i n 7 0 软件对实验数据进行了分析； 讨论了原始a 1 2 0 3 含量，碱度，粘度，表面张力和熔化温度对夹杂吸附量 的影响。最后，通过岩相分析得出了保护渣在吸附a 1 2 0 3 夹杂后结晶状态 的基本变化情况。实验结果表明以下五个因素有利于连铸保护渣吸附 a 1 2 0 3 夹杂物：适当的碱度，1 o 1 2 之间；低原始a 1 2 0 3 含量：低 原始粘度；高原始表面张力；适当的熔化温度。但是。从实验结果可 以看出保护渣吸附夹杂物的能力是受上述几个因素的综合影响。 保护渣理化性能与保护渣吸附夹杂能力之间的关系对于连铸保护渣 的设计，原料选择以及保护渣的生产有一定的指导意义。 关键词：连铸保护渣，吸附a l ：0 ，夹杂，碱度，粘度，表面张力 鞍山科技大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t s t e e lb i l i e ti st h el a s tp r o d u c ti nt h es t e e l m e l t i n g n o n m e t a l l i ci n c l u s i o n si n s t e e la f f e c to nt h ev a r i o u sp r o p e r t yo fs t e e lb i l l e t ，t h ea b i l i t yo fm o l df l u xi n c o n t i n u o u st oa b s o bi n c l u s i o ni n f l u e n c et h es t e e lq u a l i t yd i r e c t l y i nt h i s p a p e r ，ip r e p a r em a n yk i n d so fm o l dp o w d e ro nt h eb a s i co fm e l t i n g t e m p e r a t u r ea n db a s i c i t ya c c o r d i n gt oa l u m i n ai n c l u s i o n t h ea n a l y s i sf o rt h e a b i l i t yo fc a s t i n gp o w d e rt oa b s o r bi n c l u s i o ni sd o n eb ya d d i n gd i f f e r e n t c o n t e n to fa l u m i n ai n t ot h em o l df l u x ；t h ed i v e r s i t yo fm e l t i n gt e m p e r a t u r e ， t h ev i s c o s i t ya n ds u r f a c et e n s i o no ft h em o l df l u xt ot h ec h a n g eo fa l u m i n a c o n t e n ta r es t u d i e d ，f u r t h e r m o r e ，t h ea n a l y s i sf o rt h ed a t a sa r ed o n eb yu s i n g o r i g i n7 0 ；t h ei n f l u e n c eo ft h eo r i g i n a lc o n t e n to fa l u m i n a ，t h eb a s i c i t y ，t h e v i s c o s i t y ，t h es u r f a c et e n s i o na n dt h em e l t i n gt e m p e r a t u r et o t h ea d s o r p t i o n q u a n t i t yo fi n c l u s i o na r ed i s c u s s e d a tl a s t ，t h eb a s i cm o d e lo ft h ec r y s t a l l i n e s t a t ea f t e ra b s o r b i n gi n c l u s i o n si sg i v e na c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sf o rt h e l i t h o f a e i e sa n a l y s i s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e s ef i v ef a c t o r sa s f o l l o w si sb e n e f i t i a lt ot h em o l df l u xi nc o n t i n u o u st oa b s o bi n c l u s i o n ： a p p r o p r i a t et h eb a s i c i t y ：f r o m1 0t o1 2 ；t h et o wo ft h eo r i g i n a lc o n t e n to f a l u m i n a ；t h el o wo ft h ev i s c o s i t y ；t h eh i g hs u r f a c et e n s i o n ；a p p r o p r i a t em e l t i n g t e m p e r a t u r e b u t ，w ec a r ls e ef r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t st h ea b i l i t yo fm o l d f l u xi nc o n t i n u o u st oa b s o bi n c l u s i o ni sa f f e c t e db ym a n yf a c t o r s t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h ep h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e sa n dt h ea b i l i t yo f m o l df l u xi nc o n t i n u o u st oa b s o bi n c l u s i o nh a v em o r ed i r e c t i v es i g n i f i c a n ti n t h ed e s i g n ，c r u d em a t e r i a ls e l e c t i o no ft h em o l df l u x e sa n dp r o d u c t i o no fm o l d f l u x k e yw o r d s ：m o l dp o w d e r ，a b s o r ba 1 2 0 3i n c l u s i o n ，b a s i c i t y v i s c o s i t y ，s u r f a c et e n s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得鞍山科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解鞍山科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：一翩签名：茎益圜撞日飙一 鞍山科技大学硕士论文 引言 1 1 目前连铸保护渣的状况 1 1 1 国外状况 引言 鉴于连铸保护渣技术在现代连铸技术中的重要地位，工业发达国家将 连铸保护渣技术列入高科技范畴，相关研究所、高等院校和企业都投入大 量人力、物力进行开发研究。欧洲煤钢联在2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初 投入大量资金对保护渣原材料、基本组成及特性、在连铸过程中的行为作 用和连铸保护渣工业化生产等1 7 个项目进行了系统研究，取得了很好效 果，促进了连铸技术的发展；美国材料协会从1 9 9 6 年开始研究和建立连 铸保护渣生产和使用技术标准，大大促进了保护渣技术的发展；日本和韩 国除了进行大量保护渣基础理论研究外，还不断开发连铸保护渣生产的在 线检测和控制技术。这些研究和开发一方面形成了连铸保护渣的产业( 如英 国f o s e c o 、德国m e t a l l u r g i c a 和s t o l l b e r g 、韩国s t o l l b u r g 、日本板田和品 川等一批生产工艺先进、开发能力较强的连铸保护渣专业化生产厂) ，另一 方面大大促进了保护渣理论的深化和提高。总之，国外主要进行了三方面 的工作： ( 1 ) 进行保护渣基础理论研究，其目的是丌发出适合各种连铸品种和 工艺要求的保护渣： ( 2 ) 采用了计算机模拟技术及专家系统，进行结晶器内保护渣熔化特 性模拟及保护渣成分设计； ( 3 ) 建造先进的保护渣生产厂，生产性能稳定和高质量的保护渣，并 使之商品化，我国各钢厂进口的保护渣多数从这些厂购进。 目前工业发达国家已经做到连铸保护渣系列化、商品化。 1 1 2 国内状况 我国于6 0 年代开始研究保护渣浇铸技术。由于粉状渣容重的不同， 造成储运分相及使用时的分相熔化( 使用性能不稳定) 、污染环境等缺点， 近十年来，进行了将粉状渣制成颗粒状渣的使用研究，现在已经发展成多 种品种的颗粒渣1 1 1 。现在，除了个别品种的保护渣需从国外进口外，国产 保护渣基本上能满足目前国内连铸生产的需要，而且在保护渣基础理论研 鞍山科技大学硕士论文引言 究方面有所创新。如为解决高铝钢、1 c r l 8 n i 9 t i 等高合金钢连铸中出现的 保护渣吸收夹杂物和润浸的矛盾，提出了高碱性、高玻璃化保护渣的理论， 并应用到生产实践中，收到良好效果。 我国现有连铸保护渣生产厂近3 0 家( 初略统计) 。国内许多钢厂都有自 己的保护渣生产厂，如鞍钢、武钢、宝钢、攀钢、本钢、济钢、邯钢等， 研制及生产连铸保护渣，以满足本企业生产的特殊性和灵活性，适应钢材 市场的多样性要求。连铸保护渣之所以受到如此重视，一是因为连铸生产 对保护渣的使用性能要求很高，不同的钢种、不同的机型要使用不同性能 的保护渣；二是因为连铸保护渣对连铸生产顺行和铸坯表面质量的提高起 着关键作用。 目前我国应用的保护渣主要是预熔型保护渣，外形以雾化空心颗粒为 主，国内板坯铸机大部分采用这种渣型。还有部分实心颗粒渣和粉状渣在 使用，但大多用在方坯铸机上。我国在连铸保护渣技术方面虽然取得一些 进步，但与工业发达国家相比还有相当大的差距，存在着许多亟待解决的 问题。例如：保护渣开发及生产技术人员不足，保护渣的检测手段缺乏， 连铸保护渣研究工作比较薄弱等问题1 2 1 。 1 2 保护渣的出现与作用 在钢铁冶金中，炼钢过程的最后产品是钢坯。影响钢坯质量的因素， 除原材料条件外，主要取决浇注前钢液的质量以及浇注凝固过程的钢的质 量。为了获得成分均一、夹杂与气体含量少而且分布均匀、组织致密、表 面质量良好的钢锭，不仅在浇注前要采取措施，而且还应采用保护浇注。 目前，在浇注过程中可控制的因素有注温、注速、浇注方法等，而其中使 用浸入水口的保护渣浇注是改善钢坯质量的有效方法之一i j j 。 在使用保护渣浇注之前，通常采用植物油润滑铸坯，这种浇注方式具 有许多明显的缺点，也不能起到吸收钢液表面非金属夹杂物的作用，因而 不能从根本上改善钢的质量，特别是表面质量。六十年代初，受渣沈法的 启发，曾对某些钢种( 如不锈钢、滚珠钢) 采用液体渣保护浇注，获得了 良好的效果，从此用保护渣浇注就被广大研究工作者所关注，另外因为保 护渣所用的原料大都是成本较低或废弃的耐火材料，也使得这项技术具有 较大的市场前景：同时为了满足洁净钢冶炼的要求，也促使研究工作者们 向这方面钻研，从而推动了这项技术紧随连铸技术的发展而发展。目前浸 鞍山科技大学硕士论文 引言 入式水口保护渣浇注技术已成为大部分钢种在连铸中防止钢坯表面缺陷 的最有效方法之一。 连铸过程中保护渣的作用是很明显的。当粉渣加到结晶器内的钢液面 上时，迅速在钢液面上形成熔渣层、烧结层和粉渣层，整个渣层的厚度约 3 0 5 0 m m 左右。由于铸坯以一定的拉坯速度向下运动，结晶器上下振动， 熔渣受到粘滞力的作用，流入结晶器和坯壳之间，形成渣膜。熔渣不断消 耗，而粉渣又不断加入，以保证钢液面上保护渣形成稳定的层状结构。保 护渣在连铸过程中起如下的作用： ( 1 ) 保护渣是非氧化性的，起到防止钢液与周围空气接触，防止钢液 面受到空气的再氧化； ( 2 ) 钢液弯月面的形状受保护渣的影响，这样产生的振痕较浅，且没 有重叠或凹陷，从而避免了夹渣和横向裂纹； ( 3 ) 在坯壳和结晶器壁之间形成一层均匀的“薄膜”，以控制热量传递， 并起“润滑”作用； ( 4 ) 调节结晶器和坯壳间的传热： ( 5 ) 保护渣能够吸附、溶解上浮的夹杂物； ( 6 ) 可防止结晶器钢液面的热辐射，避免钢液面形成“结块”或“流冰” 即液面凝壳【4 5 】。 保护渣这些良好的作用与其化学组成，原料的物性及各种原料的组合 格式等因素有关。也就是说，保护渣必须具有良好的物理及化学性质；合 理的熔融特性及层状结构：稳定而均匀熔化形成一定厚度的熔渣层。这三 者缺一不可。不然使用的保护渣不仅起不到应有的效果，反而会恶化铸坯 的质量，甚至发生由于保护渣质量问题而引起的“漏钢”事故。必须指出， 设计和选择保护渣时，必须考虑所浇注的钢种，结晶器的形式和大小、浇 注温度、拉坯速度以及铸机的振动特性等因素1 6 】。 由于保护渣的这些良好作用，保护渣的研究己成为冶金工作者多年来 研究的一个重要课题。 1 3 实验的意义与目的 连铸保护渣的主要作用之一是对钢水中夹杂物的吸附作用，良好的保 护渣能够有效的吸附因钢水脱氧造成的钢中夹杂物，因此在满足保护渣其 它物性指标后如何配置保护渣确保其有良好的夹杂物吸附能力是改善保 。l-_-l_e_卜 鞍山科技大学硕士论文 引言 护渣性能的主要任务之一。 钢水根据钢种成分不同所生成的夹杂物也就不同。虽然经过一系列的 精炼措施，钢中仍存在夹杂物，而连铸是改善钢坯质量的最后环节，如在 此不对夹杂物进行控制，将直接影响钢坯的质量。因此研究保护渣对钢中 夹杂物的吸附能力是十分有意义的。本次研究针对保护渣吸附a 1 2 0 3 夹杂 后熔点、粘度和表面张力进行测量，从而分析保护渣吸附夹杂的能力。即 保护渣在吸附夹杂物之后其各项物性指标不发生明显的变化，熔点、熔化 区间、粘度及表面张力等无明显的变化是研究的最终目标。 鞍山科技大学硕士论文 第u - 章文献综述 第二章文献综述 2 1 国内、连铸保护渣的发展概述及发展方向 2 1 1 国内、外连铸保护渣的发展概述 连续铸钢采用粉末保护渣浇注，在欧洲从1 9 6 2 年开始，法国“东方优 质钢公司”1 9 6 3 年采用了浸入式水口保护渣浇注技术，1 9 6 5 年日本在连铸 机上应用了粉末保护渣浇注【7 】，国外的实践证明，连续铸钢采用浸入式水 口保护渣浇注后，无论从扩大连铸钢种和提高铸坯质量都是一项极为有效 的措施，国外此方面的研究已有4 0 多年的历史，下面仅就一些有代表性 的研究和应用情况作一简要概述。 表2 1 保护渣的研究与应用 t a b l e2 1t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fm o l dp o w d e r 年代 研究与应用 6 0 年代 日u 7 0 期 薤 代后 期 8 0 年代 问世，多着重保护渣配制的实用性研究 活跃时期，1 9 7 3 年日本的左藤良吉对保护渣的研究做出了重要贡献。江见 俊彦等人研究了板坯的纵裂和夹渣与保护渣物理性质的关系后得出结论，保 护渣在结晶器内的晟低临界厚度为6 1 0 m m ，拉速越高，临界厚度越大忙1 p v r i b o u d 等人论述了保护渣对钢液弯月面的保护作用，明确提出，高碱度、 低粘度及含n a 2 0 ，c a f 2 高的保护渣有利于吸收非金属夹杂9 - 1 0 l 据资料介绍，近1 0 年来，在国外发表的关于连铸保护渣的研究论文和批 准的专利公约17 0 篇，其中专利约占4 0 。在所有的专利中日本约占6 0 ， 美国为1 3 8 ，英国为8 3 。t s a k u r a y a 等人研究了保护渣的熔融特性提出， 控制保护渣熔化特性的关键在于控制半熔融温度区间的宽度t h m 。t h m 为 1 2 0 c 1 8 0 时板坯的表面缺陷最低i l “，近年来，人们对保护渣吸收和溶 解夹杂物的方面作了大量： 作，特别是对铝系夹杂和钛系夹杂的吸收。 总之，从8 0 年代连铸保护渣的发展趋势和现况来看，保护渣的研制 仍是人们关心的主要课题。保护渣的化学组成具有朝高碱性高玻璃化发展 的特征。保护渣的品种更加系列化，以适应不同钢种、不同结晶器断面以 及不同连铸工艺参数的浇注，保护渣的有关物理性质可以采用各种经验公 鞍山科技大学硕士论文第= 章文献综述 式进行计算，保护渣配方设计已逐步走上规范化的道路。但是应该看到， 国内的保护渣研究水平和保护渣的品种和质量，与国外相比还存在着一定 的差距。值得注意的是对保护渣的重要作用，在一些从事连铸的工程技术 人员中至今还未引起足够的重视。我们必须把连铸保护渣研制和生产建立 在科学的基础上，开发出国内连铸保护渣系列，以满足我国连续铸钢发展 的需要。 2 1 2 连铸保护渣的最新发展 目前，炼钢企业的全连铸化已成为企业现代化的标志3 1 ，可以说至少 在1 0 年内钢铁工业中最有前途、见效最快的发展项目仍然是连铸f 1 4 1 。连 铸的发展对保护渣的要求越来越高。虽然冶金工作者已经开展了许多有关 保护渣的研究、开发工作，并取得了一定的效果，但离进一步满足不同连 铸条件下提高铸坯质量和生产率、降低成本、改善环境等方面的要求还有 较大的差距。因此，连铸保护渣仍然是国内外冶会界研究的热点 1 5 - 16 。为 满足连铸对保护渣的要求，各国冶金界开展了大量的研制工作，取得了令 人瞩目的成绩。 1 满足高生产率的要求 提高连铸生产率，就是要提高拉坯速度，实现高速连铸。高速连铸的 特点及其对保护渣的要求，见下表： 表2 2 高速连铸特点及对保护渣的要求 t a b l e2 2c h a r a c t e r i s t i ch i g hs p e e dc o n c a s t i n gt h ed e m a n do fm o l dp o w d e r 表中所示的高速连铸的三个特点，都加大了粘结性漏钢的倾向。实践 表明，从常速连铸到高速连铸的最大困难就是粘结漏钢【”】。导致漏钢的主 要因素是保护渣的耗量不足，润滑能力下降。因此，必须研究和确定连铸 过程工艺要求，保护渣的组成对渣的耗量影响，提高铸机生产率。目前高 鞍山科技大学硕士论文第= 章文献综述 速连铸保护渣研制尚属起步阶段，e t 本l 旧】，南朝鲜 1 9 - 2 0 等国在这方面取得 了一些进展。中国 2 1 】也于近期开发出了第一台薄板坯连铸机使用的保护 渣。 2 满足工艺简化的要求 从简化工艺的角度讲，连铸的进一步发展，势必要实现连铸坯热装、 连铸一连轧。这是连铸生产节能、高效的最佳途径。实现连铸坯热装和直 接轧制的前提条件是生产表面无缺陷的铸坯【22 1 。应用高性能的保护渣是提 高连铸坯表面质量的一个关键因素。通过设计、开发和应用高性能的保护 渣，使它所形成的熔融渣的化学、物理、热力学、动力学性能的最佳化， 可以有效防止铸坯表面产生缺陷及防止拉漏事故。 3 满足特殊钢连铸的要求 由于连铸技术能够给工厂带来极大效益，促使以传统模注为主要浇注 方法的特殊钢如不锈钢、轴承钢也逐渐改为连铸浇注。由于特殊钢的浇注 性能有其特殊性，给连铸操作带来许多困难。因此，许多连铸工厂已着手 研究提高特殊钢连铸水平、提高铸坯质量的方法23 1 。由于结晶器保护渣在 连铸中的重要作用，对于保护渣的研制己成为各厂家争相努力的热点。日 本不锈钢公司、新日铁等在浇注不锈钢时使用了新开发的保护渣。 表2 3 特殊钢连铸特点及对保护渣的要求 t a b l e2 3c h a r a c t e r i s t i co fc o n t i n u o u sc a s t i n go fs p e c i a ls t e e la n dt h ed e m a n do fs l a g 4 满足环境保护和铸机维护的要求 通常的保护渣中，均加入6 1 0 的氟化物如n a f ，c a f 2 ，n a 3 a 1 f 6 等，浇注过程中消耗的保护渣中氟化物大约2 0 3 0 溶入二冷水中，使 鞍山科技大学硕士论文第二章文献综述 其呈酸性，造成水的污染。污染的水质循环使用，腐蚀铸机，降低了铸机 的寿命。虽然问题比较严重，但仍然未引起厂家足够的重视，关于无氟或 低氟保护渣的研制应用报道还不多见。只有南朝鲜浦项厂等少数连铸厂对 此进行了试验性研究，并取得了一定的效果，为各厂今后广泛开展无污染 ， 保护渣的研制工作开辟了一条新路。 2 1 3 发展方向 随着世界连铸技术的迅速发展，国外在保护渣的研究方面，采用了很 多先进手段，如：热态模拟、计算机仿真、微型连铸等，使保护渣的产品 质量大幅度提高。 f 1 ) 普遍向适应大断面、高拉速的保护渣品种发展。提高连铸拉坯速 度可在不增加大量投资的情况下，大幅度提高生产率。在国外， 满足大板坯高于2 m m i n 以上拉速和薄板坯3 6 m m i n 拉速的新 型保护渣品种已成功投入使用； ( 2 ) 向低氟少钠等环保功能型的保护渣品种发展。氟的化合物绝大多 数有毒，保护渣在熔化过程中，一部分以气体形式挥发，一部分 以“渣衣”形式进入二冷水和轧钢系统，污染空气和水源。破坏臭 氧层，腐蚀设备，并对人体造成伤害； f 3 1 保护渣在品种上，追求相同或近似条件下，尽可能采用通用型保 护渣，以利于生产组织和质量的稳定。但是在特定条件下，要求 针对性加强。国外对于钢种的针对性更强，低、中、高碳钢，低 碳含铝钢，低合金钢等都采用不同品种的保护渣；而国内区分不 细，使用方法有欠科学，不利于长远质量水平的提高，生产中经 常出现保护渣性能恶化现象，还有可能造成生产事故1 3 。 从连铸保护渣的发展趋势和现状来看，高速的大型板坯连铸和特殊钢 连铸保护渣研制仍然是人们关心的主要课题。保护渣的化学组成具有朝高 碱度高玻璃化发展的特征。保护渣的品种更加系列化，以适应不同钢种、 不同结晶器断面以及不同连铸工艺参数的浇注，保护渣的有关物理性质可 以采用各种经验公式进行计算，保护渣配方设计已逐步走上了规范化的轨 道。 鞍山科技大学硕士论文第z - 章文献综述 2 2 钢液中非金属夹杂物的研究 2 2 1 非金属夹杂物对钢性能的影响 钢中非金属夹杂物一般称为夹杂物。钢中夹杂物影响着钢铁产品的性 能，如炼钢过程产生的氧化物夹杂对钢在高速切削加工条件下的切削性 能，钢帘线生产中的拉拔性能、轴承钢和弹簧钢的疲劳寿命，及不锈钢冷 轧薄板的表面质量等有重要影响【2 “。夹杂物的种类不同对钢性能的影响也 不同，按夹杂物尺寸，大小来分可分为：显微夹杂物和宏观夹杂物25 1 ，其 对钢性能的影响如下： ( 1 ) 宏观夹杂 宏观夹杂原则上对钢的加工性能或使用性能都产生不利的影响。冷变 形性能会因宏观夹杂大为降低，尤其是表面附近的夹杂。例如在冷挤压时 会导致开裂，在表面淬火时会出现剥落和切削上的问题。 钢部件的使用性能也受到宏观夹杂的不利影响。例如受震动的部件在 关键位置上含有夹杂就会发生震动断裂。 在敞开式熔炼的炼钢车间，即使采用最现代化的冶金技术，也不可能 完全避免宏观夹杂。不过由于冶金工艺的进步，至少在德国和欧洲的许多 炼钢厂都已达到很高的宏观洁净度水平，以至越来越多的敞开冶炼的钢种 都进入了几年以前还由电渣重熔钢和真空处理钢独占的应用领域。 ( 2 ) 微观夹杂 就目前的水平而言，微观夹杂对大部分钢种的加工性能和使用性能都 没有什么影响。但是，也存在着微观夹杂起着消极作用的应用领域。与此 同时，某些材料性能又由于非金属夹杂而得到改善，在这种情况下则有意 识地调整非金属夹杂，以获得要求的性能。 下面分别介绍微观夹杂对材料性能所起的消极作用和积极作用。 1 微观洁净度对滚动轴承钢滚动寿命的影响 滚动轴承的部件受到很高的负荷。这种负荷导致表面附近范围内产生 很强的交变应力，在材料不均匀的情况下就会产生疲劳裂纹。非金属夹杂 可能就是产生这种裂纹的根源。裂纹最终会导致断裂，使轴承报废。由于 夹杂物尺寸、形状和硬度的原因，易于出现应力高度集中的夹杂尤其危险。 滚动轴承的滚动寿命会受到它的有害影响。所以减少氧化物夹杂的数量和 细化残存的颗粒，改善氧化物微观洁净度可以提高滚动轴承的滚动寿命。 9 鞍山科技大学硕士论文第二章文献综述 与氧一样，钛也由于生成锐边的( 碳) 氮化物，影响轴承的滚动寿命， 见图2 1 。由于这一原因，轴承钢规定对氮化钛夹杂的数量和大小，以及 允许钛含量极限都作出了明确的规定。 2 微观夹杂对切削性能的影响 材料的切削性能是一个综合指标，它取决于加工方法、刀具和材质这 三个因素。就材料而言，影响到切削性能的因素除化学成分、组织和强度 而外，还有非金属夹杂。 改善切削性能的惯用方法是将硫的含量调高一点。硫生成硫化锰，在 切削加工时起到与组织中“理论断裂点( s o l l b r u c h s t e l l e ) ”相同的作用，使 金属屑易于生成。此外，它在金属屑与刀具之间促使润滑，又延长了刀具 使用寿命。不仅如此，较高的硫含量还有利于产生短断裂屑，这f 是在自 动化加工车床上切削必需的。 图2 2 示出硫含量对切削性能影响的一例。从图中可以看出，不同切 削速度下的刀具使用时间。 辞2 l 岳 饕 摧 4 l 0 00 0 5 0 0 100 1 5 钍含量， 材质c k 4 5 n ；刀具硬质含量p 2 5 ；切削 深度1 m m ；进刀0 1 m m ；寿命准数0 i m m 图2 1 钛含量对轴承钢滚动寿命的影响 图2 2 硫含量对切削性能的影响 f i g 2 1 e f f e c to ft i t a n i a f i g 2 2e f f e c to fs u l f u r c o n t e n to nb e a r i n gs t e e lr o l l i n gl i f e c o n t e n to nc u t t i n gp e r f o r m a n c e 硫化物对切削性能的积极作用导致开发出一系列含硫的易切削钢种， 这些钢种中的硫含量保持在0 4 以内。另外在大量的钢种系列里，除了“标 准的，低硫含量品种外，也有较高硫含量的易切削品种可供选用【2 6 1 。 0 鞍山科技大学硕士论文 第= 章文献综述 2 2 2 非金属夹杂物的分类 钢中非金属夹杂物可以按照它们的化学成分、大小和它在轧制成品中 的形态和来源进行分类。根据来源，非金属夹杂物可分为两大类。即内生 夹杂物和外来夹杂物【27 1 。 表2 4 非金属夹杂分类 t a b l e 2 4t h et y p eo fn o n m e t a l i i ci n c l u s i o n 根分 。 内容 出现的形式 组成及特征 据类 。一。 根据化学成分，钢中非金属夹杂物可以划分为3 组： 氧化物夹杂； 硫化物夹杂； 氮化钛夹杂。 氧化物：氧化物夹杂因其来源不同其有各种不同的成分和各种外观。 这类夹杂可因各种原因在钢包冶金过程中形成，也可在浇铸期间生成。此 外，凝固期间分离出来的钢水剩余氧含量也会生成氧化物夹杂。氧化物夹 杂的主要成分是a 12 0 3 、c a o 、s i 0 2 和m g o ，在显微照片中呈黑色，其中 鞍山科技大学硕士论文第二章文献综述 一部分是多相颗粒。 硫化物：和氧一样，硫在固态钢中的溶解度比在钢水中要小得多，凝 固过程中硫在剩余钢水中富集，从而生成硫化物。因此硫化物夹杂多存在 于枝晶间区域的正偏析区。钢中硫一般是作为硫化锰析出的，在显微照片 中呈兰灰色。 氮化钛：由于钛和氮的高亲合力，在钢水中就已经生成了氮化钛。氮 化钛既存在于有意加钛作为微合金元素的钢种中，也存在于炉料含有钛污 染杂质的钢种内。这种夹杂在显微照片中呈现明显的立方体结构，并视溶 解碳含量的多少表现出密黄色至灰白色26 1 。 根据夹杂物的形态来分类有：塑性夹杂、脆性夹杂和不变形夹杂。塑 性夹杂在加工过程中沿加工方向延伸成条带状，较低熔点的硅酸盐以f e s 、 m n s 夹杂属于这一类。而脆性夹杂在加工过程中不变形，沿加工方向破裂 成串。尖晶石型复合氧化物以及钒、钛、锆的氮化物等高熔点、高硬度夹 杂属于这一类。不变形夹杂在加工过程保持原来的球点状。s i 0 2 、含s i 0 2 较高( 7 0 ) 的硅酸盐、钙的铝酸盐和高熔点的硫化物( c a s 等) 为这一 类型夹杂1 2 5 。 2 2 3 影响保护渣吸附夹杂的因素 ( 1 ) 碱度 碱度是保护渣的一个重要理化指标。对于铝镇静钢来说，钢中主要夹 杂物是a 1 2 0 3 ，碱度是影响保护渣溶解a l2 0 3 能力的主要因素。不同碱度 条件下，熔渣吸收a l2 0 3 的能力是不同的。在一定范围内随着碱度的增加， 熔渣吸收a 12 0 3 夹杂的能力是增大的。c a o s i 0 2 为1 0 1 1 时，吸收速度 最大，c a o s i 0 2 2 吸收a l2 0 3 的速度反而下降【川。图2 3 中吸收a 12 0 3 的速度是以渣中旋转的a l2 0 3 圆柱体试样的直径随时间的变化来定义的。 碱度过高反而使吸收a 12 0 3 的能力下降，这是因为碱度高渣中a 12 0 3 形成 a 1 0 2 9 - 的八面体，其顶点上的0 2 容易与c a 2 + 结合，析出钙( 铝) 黄长石的 初晶，从而使表观粘度增大，故溶解a l2 0 3 的速度下降。a 12 0 3 被渣溶解 是在界面上进行的，熔渣粘度低不仅a 12 0 3 易被渣润湿，而且使溶解后的 a 12 0 3 的迁移速度加快。 鞍山科技大学硕士论文第二章文献综述 0 5l0l52 02 5 3 0 c a o s i o ： 图2 3碱度对a l2 0 3 溶解速度的影响 f i g 2 3e f f e c to f o l lb a s i c i t y d i s s o l u t i o nv e l o c i t yo fa12 0 3 电 u o 竺 型 撂 a b o ， 图2 4 熔渣粘度随a 12 0 3 含量的变化 f i g 2 4c h a n g eo fv i s c o s i t yo fm o l t e ns l a g i nr e s p o n s et ot h ec h a n g eo fa 1 2 0 3c o n t e n t 对于含t i 不锈钢，t i 的含量约0 5 时就可能在熔渣和金属界面上出 现比较多的聚集物。碱度超过o 8 以后，升高碱度使t i 0 2 的吸收速度下降。 对于其它夹杂，碱度也是影响吸收的主要因素。 ( 2 ) 粘度 保护渣粘度与熔渣层吸收和溶解钢液中上浮的非金属夹杂物的能力 有关。为了吸收钢液中上浮的非金属夹杂物，希望保护渣的粘度尽可能低， 但是低粘度的保护渣对水口的腐蚀显然不利。a 12 0 3 对连铸保护渣的粘度 有明显的影响。图2 4 是研究了a 12 0 3 含量对不同保护渣粘度的影响后测 得的 3 2 1 。熔渣粘度随a 12 0 3 含量的增加而升高，a 12 0 3 含量低时，粘度的 增量小，a 1 2 0 3 含量高时，粘度增加明显。当原始粘度低时，渣的粘度并 不随a 12 0 3 含量的增加而明显增大。但当原始渣中的粘度高时，随a 12 0 3 含量的增加，渣的粘度会急剧上升1 3 3 1 。a l2 0 3 被渣溶解是在界面上进行的， 熔渣粘度低不仅使a 1 2 0 3 易被渣润湿，而且使溶解后的a 12 0 3 的迁移速度 加快。 降低熔渣粘度有助于吸收a 1 2 0 3 ，连铸保护渣吸收a 1 2 0 3 夹杂物是在 渣一金界面上进行，降低熔渣粘度不仅可以增加熔渣对a 1 2 0 3 夹杂物的润 湿性，而且可以加快溶解之后a 1 2 0 3 在渣中的迁移速度，所以粘度是吸收速 率的主要控制因素。在c a o s i 0 2 一n a 2 0 一c a r 2 - a 1 2 0 3 一m g o 渣系中，熔渣对 a 1 2 0 3 夹杂物的吸收速率与熔渣粘度的关系如图2 5 所示。可见随着熔渣粘 度的提高，连铸保护渣对a 1 2 0 3 夹杂物的吸收速率逐渐降低【3 4 。35 1 。 鞍山科技大学硕士论文第二章文献综述 t l p a s 图2 5 吸收速率与熔渣粘度的关系 f i g 2 5r e l a t i o n s h i pb e t w e e n a b s o r p t i v er a t ea n dv i s c o s i t y 可见随着熔渣粘度的提高， 渐降低。 图2 6 原始a 12 0 3 含量对溶解速度的影响 f i g 2 6e f f e c to fd i f f e r e n tc o n t e n t o fa 1 2 0 3d i s s o l u t i o nv e l o c i t y 连铸保护渣对a 1 2 0 3 夹杂物的吸收速率逐 ( 3 ) 界面性质在吸收非金属夹杂中的作用 界面性质对熔渣吸收钢中非会属夹杂有重要的影响。保护渣达到充分 吸收夹杂物，本身又不能被卷入钢液内，取决于钢液一夹杂物、夹杂物一 熔渣、熔渣一钢液界面上界面张力的大小。熔渣吸附夹杂物的能力，取决 于这两相间的粘附功w s 加其大小可用下式表之： w s ，i = a s + o l o s i( 2 1 ) 同样，用钢液和夹杂物的粘附功w 表示夹杂物从钢液内排出的难易程 度，即 w m i = o m + ( i 一( m i( 2 2 ) 用熔渣和钢液问的粘附功w s ，m 表示保护渣被卷入钢液的难易程度，即 w s ，m = o m + o s o s m( 2 3 ) 因此，如能满足下述条件，夹杂物就容易被保护渣吸附： o m + o s a s m o m + o i - ( m i ( 2 4 ) 式中：o m ，6 s ，o i 一钢液、熔渣和夹杂物的表面张力； o s m 一熔渣一钢液的界面张力； ( 1 m i 一钢液一夹杂物的界面张力； o s ，一熔渣一夹杂物的界面张力。 这就说明，为了使保护渣易于吸附夹杂物，6 s ”和o 越大就越有利。 鞍山科技大学硕士论文 第= 章文献综述 因此，在钢液成分和夹杂物的类型一定时，减少保护渣的表面张力是有利 的。对于a 1 2 0 3 夹杂物，保护渣溶解吸收a 1 2 0 3 夹杂在渣金界面上进行， 主要取决于a 1 2 0 3 在渣中的饱和度和a 1 2 0 3 在渣钢及界面的扩散速度【3 6 1 。 ( 4 ) 保护渣的原始成分对熔渣吸附夹杂能力的影响 原始a 12 0 3 浓度对熔渣吸收a l2 0 3 能力的影响 渣中原始a 12 0 3 的浓度对熔渣吸收a 12 0 3 的影响如图2 6 所示。图2 6 表明：相同的碱度，随着渣中原始a 12 0 3 浓度的增加，熔渣吸收a 12 0 3 的 速度是下降的，即降低渣中初始a 1 2 0 3 含量有助于吸收a 1 2 0 3 【3 0 1 。 保护渣中f 和n a + 含量对熔渣吸收a 12 0 3 能力的影响 保护渣中f 。和n a + 的含量对吸收a 1 2 0 3 的速度也有影响，各种氟化物 和氧化钠的影响如图2 7 、图2 8 所示。因为f 可以使复合硅氧离子解体， 大大降低熔渣的粘度，随着f 一，n a + 含量的增加，熔渣吸收a 1 2 0 3 的速率 逐渐增加，并且速率的变化趋势逐渐减小。p v r i b o u d 等人明确提出含 n a 2 0 ，c a f 2 高的保护渣有利于吸收非金属夹杂。 望 e 咤 o _ 图2 7n a + ，f 。对a 12 0 3 溶解速度的影响 f i g 2 7e f f e c to fn a + f 。o n d i s s o l u t i o nv e l o c i t yo fa12 0 3 分 e 3 洒 。 一 世 剖 鞋 鲢 氟化物含量， 图2 8 不同氟化物对a 12 0 3 溶解速度的影响 f i g 2 8e f f e c to fd i f f e r e n tf l u o r i d e s o n d i s s o l u t i o nv e l o c i t yo f a l2 0 3 原始t i 0 2 含量对t i 0 2 溶解速度的影响 尽管t i 0 2 在含钛钢连铸保护渣中，一般不作为组份配入，但在浇注过 程中，不断有t i 0 2 转入渣中。当渣中吸收的t i 0 2 小于1 0 时，随t i 0 2 的增 加粘度变化不大，吸收t i 0 2 的速度提高，使熔渣吸收t i 0 2 夹杂的过程成为 “正反馈”过程。但当t i 0 2 1 0 时，熔渣体系易于进n c a t i 0 3 析出的初晶区， 鞍山科技大学硕士论文 第= 章文献综述 t i 0 2 的增加使熔渣理化性质恶化，吸收t i 0 2 的速度降低。因此，设计保护 渣时应使不断消耗的熔渣中t i 0 2 c a f 2 n a 2 0 b a o m n o 2 3 连铸保护渣的选择 1 保护渣原材料的选择 用于连铸保护渣的原材料种类繁多，但大多数都是结合本地区资源情 况进行选用的。分为天然矿物( 如石灰石、萤石、硅次石、石英砂等) 和 人造矿物( 工业废料、水泥熟料、玻璃粉等) 。选择原则为： ( 1 ) 原材料的成分应当稳定； ( 2 ) 原材料中含有害物质应尽量少，特别是a 12 0 3 ，f e 2 0 3 和s 等含量： ( 3 ) 在保护渣使用过程中不应释放出有害物质污染环境： 鞍山科技大学硕士论文第= 章文献综述 ( 4 ) 来源广泛，价格便宜。 2 保护渣基本渣系的选择原则 ( 1 ) 所选的保护渣理化性能必须满足连铸工艺要求； ( 2 ) 保证在连铸过程中理化性能的稳定； ( 3 ) 选用原材料的化学成分应当稳定，并尽可能地接近保护渣的组成； ( 4 ) 渣系组成应简单，便于生产管理。 2 4 研究内容 ( 1 ) 研究保护渣吸附a 1 2 0 3 夹杂后熔化温度，熔化区间，粘度和表面 张力的变化情况。 ( 2 ) 研究保护渣各理化性能和吸附量之间的关系。 ( 3 ) 研究保护渣吸附夹杂后矿物组合的基本变化情况。 鞍山科技大学硕士论文 第三章实验原理 3 1 保护渣的相图基础 第三章实验原理 保护渣的主要成分是c a o ，s i 0 2 ，a 1 2 0 3 。目前世界各国多以硅酸盐 相图作为选择保护渣组成的理论依据，连铸用保护渣组成的选取普遍以 c a o s i 0 2 a 1 2 0 3 系中的低熔点、低粘度区为基础，见图3 1 。 s i o 1 7 2 3 幽3 ic a o a 12 0 3 一s i 0 2 系相圈 f i g 3 1c a o a i2 0 3 - s i 0 2p h a s ed i a g r a m s i 0 2 一c a o a 1 2 0 3 三元系内有两个稳定的三元化合物：c a s 2 ( 钙斜长石， 熔点l5 5 0 ) 及c 2 a s ( 铝方柱石，熔点15 9 0 。c ) 。有五个二元共分熔点化合 物：c s ( 硅长石，熔点15 9 0 ) ，c s 2 ( 硅酸钙，熔点2 l3 0 ) ，c l2 a 7 ( 熔点 1 4 15 ) ，c a ( 熔点1 6 0 0 ) ，及a 3 s 2 ( 莫来石，熔点1 9 0 0 ) ：五个二元异 分熔点化合物：c 3 s 2 ( 二硅酸三钙) ，c 3 s ( 硅酸三钙) ，c 3 a ，c 2 a 及c a 6 。 根据三元系相图的切线规则及连线规则，此相图可分为七个独立的部分。 在图中用实线的连接线划分出七个独立的部分： ( 1 ) s - c s - c a s 2 是具有一个三元共晶点( 点2 ) 的三元系； 鞍山科技大学硕士论文第三章实验原理 (