炉渣冶金性能测试实验报告

1、炉渣冶金性能测试实验报告 院 系: 冶金与资源学院 班 级： 冶105 指导老师： 组 长： 组 员： 实验地点: 安徽工业大学炉渣冶金性能测试文献综述1目前连铸保护渣的状况1. 1国外状况 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, 各研究所、 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 20 世纪80 年代末、 90 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 17 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 1996 年开始研

2、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 Foseco、 德国 Metal-lurgica 和 Stollberg、 韩国 Stollburg、 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, 其目的是开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

3、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. 2国内状况 我国连铸保护渣自 1972 年开始研制, 至今已有 30多年的历史, 已经具有研究开发保护渣的能力, 并建成了一批保护渣生产厂。 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 究方面 有所创 新。如 为解 决高 铝钢、1Cr18Ni9Ti 等高合金钢连铸中出现的保护渣吸收夹杂物

4、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 30 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

5、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。 ( 1) 保护渣开发及生产技术人员不足无论是保护渣开发人员, 还是生产厂及钢厂的保护渣技术人员都很缺乏, 有些保护渣生产厂根本没有开发能力, 仅靠模仿和购买保护渣配方维持生产, 跟不上连铸工艺及品种的变化, 影响了连铸的发展。20 世纪 90 年代初期, 我国连铸品种极为单调, 连铸坯产量不高, 保护渣品种也不多, 所以矛盾不突出。而现今, 由于连铸品种的扩大、 连铸比的提高以及对铸坯质量的高要求,

6、一般钢厂都需要 47 种保护渣, 较大的钢厂则需要 10 余种保护渣。 许多钢厂由于缺乏保护渣方面的技术人员,造成连铸保护渣选择不当或使用不当, 引起连铸工艺不顺、 事故不断及铸坯质量差等问题, 甚至由于保护渣的问题使一些品种不能及时投产。( 2) 保护渣的检测手段缺乏目前国内保护渣生产厂普遍缺乏必备的检测手段, 有些生产厂连最基本的熔点、 粘度和化学成分等都不能检测, 全靠经验生产, 造成保护渣的稳定性差, 给连铸生产带来很多困难。( 3) 连铸保护渣研究工作比较薄弱目前我国从事保护渣基础研究的单位不多,保护渣生产厂基础研究缺少技术人员和资金的支持。 特别是合金钢连铸保护渣的研制生产难度大,

7、需求量少, 开发研究工作明显不足。2连铸保护渣的发展方向 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。 ( 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, 大幅度提高生产效率。在国外, 满足大板坯高于 2m/ min 以上拉速和薄板坯 36m/ min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

8、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。 ( 3) 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。但在特定条件下, 针对性加强。国外对于同机型保护渣品种的使用更加细化, 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。3保护渣的熔化特性和使用性能3. 1保护渣在结晶器内的熔化特性保护渣熔化过程示意图见图 1 1。从图 1 可见, 保护渣在熔

9、化时由 4 层组成, 分别是固态渣层、 烧结层、 半熔化层和液态渣层。如果将半熔化层和液态渣层之间的富碳层算在内, 也可以说在熔化时由 5 层组成。 无论是粉渣还是颗粒渣, 都是由这 4 层或 5 层组成。结晶器与坯壳间的渣膜由固态渣膜和液态渣膜组成。固态渣膜又由玻璃质膜和晶体质膜组成。固态渣膜对传热有影响。3. 2连铸保护渣的性能 保护渣在凝固时的性能包括粘度G1300、 凝固温度Ts 和结晶温度Tc, 三者合理搭配保证铸坯的润滑并调节从铸坯传往结晶器的热流。润滑情况与液渣渗入结晶器与坯壳间的多少和渗入的均匀性有关。 生产过程中, 高碳钢( C > 0. 4%) 板坯容易粘结, 粘结与

10、润滑不良有关。 高碳钢保护渣设计的重点应注重在保证润滑上。 降低 Ts对保证润滑有利。降低 CaO/ SiO2, 减少氟含量, 提高 B2O3 都有利于降低Ts 2。高碳钢容易粘结与初始生成的坯壳凝固收缩小有关, 含碳量对坯壳有效厚度的影响见图 2 3; 低中碳钢尤其是中碳钢( 即包晶钢板坯容易产生表面裂纹, 特别是高拉速时。 低中碳钢容易产生表面裂纹, 与高温时DC的相变收缩大有关。 为了消除表面裂纹, 低中碳钢保护渣设计的重点应放在控制从铸坯传往结晶器的热流上。4如何选择使用和评价保护渣4. 1保护渣对铸坯质量的影响保护渣选用适当与否, 对连铸生产和铸坯质量将产生重要影响。保护渣对铸坯质量

11、的影响主要发生在结晶器内, 其中又以表面质量为甚。 保护渣的选用对连铸生产和铸坯质量的影响主要有: ( 1) 粘结性漏钢。生产实践表明, 由于保护渣不良引起的粘结是板坯和大方坯连铸漏钢的主要原因。 保护渣的熔化温度偏高或熔化速度偏低, 会导致液渣层过薄, 从而造成漏钢。 ( 2) 表面纵向热裂纹。该缺陷发生在结晶器内, 是由于结晶器内生成的坯壳厚度不均匀, 张应力集中在某一薄弱部位造成的。在设备条件和操作因素不变的条件下, 保护渣熔化特性选用不当,液渣层厚薄不一, 造成渣膜厚度不均, 使局部坯壳变薄产生纵裂。纵裂产生与熔渣粘度和拉坯速度有关, 连铸板坯时, G·T值应控制在 0. 2

12、0. 35Pa4如何选择使用和评价保护渣4.2保护渣对铸坯质量的影响 保护渣选用适当与否, 对连铸生产和铸坯质量将产生重要影响。保护渣对铸坯质量的影响主要发生在结晶器内, 其中又以表面质量为甚。 保护渣的选用对连铸生产和铸坯质量的影响主要有: ( 1) 粘结性漏钢。生产实践表明, 由于保护渣不良引起的粘结是板坯和大方坯连铸漏钢的主要原因。 保护渣的熔化温度偏高或熔化速度偏低, 会导致液渣层过薄, 从而造成漏钢。 ( 2) 表面纵向热裂纹。该缺陷发生在结晶器内, 是由于结晶器内生成的坯壳厚度不均匀, 张应力集中在某一薄弱部位造成的。在设备条件和操作因素不变的条件下, 保护渣熔化特性选用不当,液渣

13、层厚薄不一, 造成渣膜厚度不均, 使局部坯壳变薄产生纵裂。纵裂产生与熔渣粘度和拉坯速度有关, 连铸板坯时, G·T值应控制在 0. 20. 35Pa国连续铸钢的迅速发展、 连铸品种不断扩大以及新连铸机的投产, 经常会遇到如何选择保护渣和评价保护渣的问题。因为连铸保护渣的通用性很差, 又没有一个统一的标准, 即使选择浇注钢种和断面相同的保护渣, 但由于拉速、 钢水质量和设备参数的不同, 同样不能生产出表面质量好的铸坯。如果保护渣选择不当, 不仅造成铸坯表面缺陷多、修磨量大, 而且使连铸工艺难以顺行, 事故频繁,严重时连铸无法进行, 所以对连铸保护渣的选择应给予充分重视。5鞍钢保护渣的应

14、用与研发现状5. 1保护渣熔化性能研究 熔化温度、 凝固温度和结晶温度是表征连铸保护渣在结晶器内行为的重要性能指标。熔化温度直接影响结晶器内弯月面上方的渣层传热和熔渣层的产生, 与连铸保护渣的绝热保温性能和润滑性能密切相关1,2。而凝固温度和结晶温度则控制结晶器与铸坯之间渣膜的分布和结构, 是控制结晶器和铸坯之间传热与润滑的重要参数。通过测定熔渣的熔化温度、 凝固温度和结晶温度, 研究连铸保护渣的熔化温度、凝固温度和结晶温度之间的关系。熔化温度高于凝固温度和结晶温度。凝固温度和结晶温度之间的关系与连铸保护的玻璃性能有关。 在连铸过程中, 保护渣的熔化温度对结晶器内钢液表面上熔化渣层的厚度和结晶

15、器与坯壳之间的渣膜厚度有直接的影响, 从而影响坯壳的表面质量: 保护渣向结晶器和坯壳之间的流入量和保护渣的消耗量, 随着渣的熔化温度的下降, 保护渣的消耗量增加。为了保证在钢液表面保持一定厚度熔化渣层厚度, 目前青海西宁特殊钢股份公司使用的保护渣的熔化温度一般在 1010 ºC 1200 ºC。铸坯传热面积与周长愈小, 保护渣的熔化速度要求愈高,保温性能也要求愈好; 铸坯断面小, 拉速高, 熔化速度要求快; 铸坯断面愈大消耗量愈低, 熔化速度可以低一些。要保证在连铸时有足够的熔渣层厚度, 与之对应的是保护渣相应的熔化速度并不是越快越好, 否则会影响保温性能, 容易形成冷皮及

16、造成皮下夹渣多, 振痕深等缺陷。保护渣的熔化性能, 特别是保护渣的熔化速度, 对保护渣的性能有重大影响, 这是因为它们控制着熔渣池的深度 也就是控制着熔渣渗入结晶器与铸坯间隙的速度。熔化试验结果表明, 覆盖钢水表面的保护渣形成了多层结构, 颗粒状及粉状保护渣都为多层结构。研究人员发现了许多试验配比方法来来确定保护渣的熔化速度, 通过以下几点可以加快熔化速度: 降低自由碳含量; 增加碳粒子的半径; 改变碳的类型; 降低熔化温度( 其结果也降低了粘度) ; 增加矿物组成的粒度;通过增加浇注速度来增加重直热通量。5.2鞍钢保护渣应用情况 目前鞍钢年消耗各类保护渣约有 5000t 左右, 其主要供货厂

17、家有 7 家, 使用情况如表 2、 3、 4所示。 就鞍钢保护渣应用总体情况来看, 目前鞍钢所使用的保护渣 80%以上需要外购。5. 2鞍钢保护渣的研发现状鞍钢技术中心生产的保护渣产品情况见表 5。鞍钢技术中心现拥有一条年产 3000t 的空心颗粒保护渣生产线。 近几年来, 为了更好地配合鞍钢的技术改造, 鞍钢技术中心增强了对保护渣的研发力度, 目前已拥有一支水平较高的保护渣研发队伍, 在保护渣开发方面形成了自己独特的研究开发体系和配方组合, 形成了具有鞍钢自主知识产权的保护渣产品和技术, 保护渣产品已经形成系列化, 除供鞍钢连铸生产需求外, 其中大方坯、 高拉速薄板坯保护渣在凌钢、 莱钢已稳

18、定供货多年, 年供货量近千吨。随着鞍钢产品结构的进一步调整和新建年产500 万t 钢新区的投产, 鞍钢技术中心研发的保护渣在鞍钢的使用范围将进一步扩大, 并不断在其它钢厂推广应用, 为推进连铸技术的发展做出自己应有的贡献。 鞍钢技术中心保护渣产品系列一览表6 保护渣熔渣的粘度研究粘度是决定渣消耗量和均匀渗入的重要性能之一。它直接关系到熔化后的渣在弯月面区域的行为, 对铸坯的表面质量有明显的影响。如铸坯表面振动痕迹的形状, 结晶器铜壁与铸坯坯壳间均匀渣膜的形状, 熔渣层吸收和溶解非金属夹杂物以及对浸入式水口的腐蚀等, 其中影响最为重要的是对渣膜厚度和均匀性的影响。为了吸收钢液中上浮的夹杂物, 要

19、求保护渣的粘度尽可能低, 但是低粘度的保护渣对水口的侵蚀不利。为防止卷渣, 在允许的条件下使用高粘度渣。但粘度不能太高, 否则会使保护渣渣耗降低, 熔渣流人量减少, 渣膜变薄且不均匀, 引起摩擦力增大, 结果会使坯壳受力, 造成纵裂缺陷甚至漏钢。对于相同的拉速, 铸坯的断面增大,渣的单耗量下降, 因此粘度应低一些。保护渣的粘度, 必须与浇注的钢种、 连铸机的类型、 连铸的工艺参数和保护渣的熔化特性相匹配。研究表明: 粘度和拉速应满足· v= 1 3. 5 的关系, 此时结晶器的传热稳定, 磨擦力较低并较稳定。 按照热力学理论，熔点通常是指标准大气压下固液二相平衡共存时的平衡温度。炉渣

20、是复杂多元系，其平衡温度随固液二相成分的改变而改变，实际上多元渣的熔化温度是一个温度范围，因此无确定的熔点。在降温过程中液相刚刚析出固相时的温度叫开始凝固温度，即相图中液相线的温度；液相完全变成固相的温度叫做完全凝固温度，此即相图中固相线上的温度；这两个温度为炉渣的熔化区间。由于实际渣系的复杂性，一般没有适合的相图可供查询，生产中为了粗略的比较炉渣的熔化性质，采用一种半经验的简单方法，即试样变形来测试炉渣的熔化温度区间。常用的方法有差热分析法、热丝法和半球法等。多元系试样在升温过程中，超过开始熔化温度以后，随着液相量增加，试样形状会逐渐改变，试样变形法就是根据这一原理而制定的。随着温度升高，圆

21、柱形试样经过烧结收缩，然后逐渐熔化，试样高度不断降低，最后接近全部熔化时，试样完全坍塌铺展在垫片上。由此可见，只要规定一个高度标记，对应的温度就可以用于相对比较渣系熔化温度的高低，同时也可比较不同渣熔化的快慢，析出液相的流动性等。习惯上取试样高度降到1/2时的温度为熔化温度。用此法测得的熔化温度，既不是恒温的，有无平衡可言，绝不是热力学所指的熔点或熔化温度，而只是一种实用的相对比较的标准。4.2.1炉渣熔化温度的测定 4.2.1.1 实验原理 按照热力学理论，熔点通常是指标准大气压下固液二相平衡共存时的平衡温度。炉渣是复杂多元系，其平衡温度随固液二相成分的改变而改变，实际上多元渣的熔化温度是一

22、个温度范围，因此无确定的熔点。 在降温过程中液相刚刚析出固相时的温度叫开始凝固温度(升温时称之为完全熔化温度)，即相图中液相线(或液相面上)的温度；液相完全变成固相时的温度叫完全凝固温度(或开始熔化温度)，此即相图4-中固相线(或固相面)上的温度；这两个温度称为炉渣的熔化区间。由于实际渣系的复杂性，一般没有适合的相图供查阅，生产中为了粗略地比较炉渣的熔化性质，采用一种半经验的简单方法，即试样变形法来测定炉渣的熔化温度区间。常用的方法有差热分析法、热丝法和半球法（试样变形法）等。 多元渣试样在升温过程中，超过开始熔化温度以后，随着液相量增加，试样形状会逐渐改变，试样变形法就是根据这一原理而制定的

23、。如图4-1所示，随着温度升高，圆柱形试样 h 5/6h 1/2h 1/3h(a) (b) (c) (d)图2-2 保护渣样品熔化过程形状变化图4-1 熔化过程试样高度的变化 (d)准备试样；(b)开始熔化温度； (c)高度降低1/2； (d)接近全部熔化 由(a)经过烧结收缩，然后逐步熔化，试样高度不断降低，如(b)、(c)所示，最后接近全部熔化时，试样完全塌下铺展在垫片上(d)。由此可见，只要规定一个高度标记，对应的温度就可以用于相对比较不同渣系熔化温度的高低，同时也可比较不同渣熔化的快慢，析出液相的流动性等。习惯上取试样高度降到12时的温度为熔化温度。用此法测得的熔化温度，既不是恒温的，

24、又无平衡可言，绝不是热力学所指的熔点或熔化温度，而只是一种实用的相对比较的标准。 4.2.1.2设备与操作 实验装置如图4-2所示，它可分为高温加热系统，测温系统和试样高度光路放大观测系统。试样加热用SiC管状炉、铂丝炉或钼丝炉。炉温用程序温度控制仪控制。样品温度用电位差计或数字高温表测定。试样放在垫片上，垫片材料是刚玉质，高纯氧化镁或贵金属，要求不与试样起反应。 热电偶工作端须紧贴于试样垫片之下。有光学系统把试样投影到屏幕上以便观察其形状。 （现在的多功能物性仪可将试样同时投影到照相机的底片和摄像机的硅片上，然后经过图4-象卡输入到计算机中，同时储存显示试样的形状、温度及实验的时间，这样不但

25、可以测定样品的熔化温度而且可以精确地测定其熔化速度。） 图4-2 熔化温度测定装置示意图4- 1 屏幕；2一目镜；3一物镜；4一热电偶；5一支撑管；6一电炉； 7一试样；8一垫片；9一投光灯 (1) 渣样制备 1) 将渣料配好(最好经过预熔或至少经预烧结)在不锈钢研钵中研碎（粒度小于0.O75mm）混匀成为渣粉待用； 2) 将渣粉置于蒸发皿内，加入少许糊精液，均匀研混，以便成型； 3) 将上述湿粉放在制样器中制成3×3(mm)的圆柱形试样。在制样过程中，用具有一定压力的弹簧压棒捣实，然后推出渣样； 4) 制好的渣样自然阴干，或放在烘箱内烘干。 (2) 熔化温度测定 1) 将垫片放在支

26、撑管的一端，并且保持水平。再将试样放在垫片上，其位置正好处于热电偶工作端的上方。然后移动炉体（有些仪器移动支撑管架），置试样于炉体高温区中部； 2) 调整物镜、目镜位置，使试样在屏幕上呈清晰放大象，然后调整屏幕左右上下位置，使试样象位于屏幕的六条水平刻度线之间、便于判断熔化温度； 3) 用程序温控仪给电炉供电升温。接近熔化温度时，升温速度应控制在510min间的某一固定值。升温速度将影响所测的温度值及数据的重现性； 4) 不断观察屏幕上试样高度的变化，同时不断记录温度数值，尤其是试样顶端开始变圆时的温度（开始熔化温度）、高度降低到1/2时的温度及试样中液相完全铺展时的温度（完全熔化温度）。取高

27、度降到1/2时的温度为熔化温度； 40 5) 取试样顶端开始变圆时的温度（开始熔化温度）和试样中液相完全铺展时的温度（完全熔化温度）为熔化温度区间。一个试样测完后，降低炉温，移开炉体，取出垫片，再置一新垫片和新试样，进行重复实验，可重复35次，取其平均值。2.5 结晶器保护渣熔点测试在连铸过程中，保护渣的熔化温度对结晶器内钢液面上熔渣层的厚度和结晶器与坯壳之间的渣膜厚度有直接的影响，从而影响坯壳的表面质量。2.5.1试验原理按照热力学理论，熔点通常是指标准大气压下固液二相平衡共存时的平衡温度。保护渣是复杂多元系，其平衡温度随固液二相成分的变化而改变，实际上多元渣的熔化温度是一个温度范围。在降温

28、过程中液相刚刚析出固相时的温度叫开始凝固温度（升温时称为完全熔化温度），即相图中液相线（或液相面上）的温度；液相完全变成固相时的温度叫完全凝固温度（升温时称为开始熔化温度），此即相图中固相线（或固相面）上的温度。由于实际渣系的复杂性，一般没有适合的相图供查阅，生产中为了粗略地比较保护渣的熔化性质，采用一种半经验的简单方法，即试样变形法来测定保护渣的熔化温度。多元渣试样在升温过程中，超过开始熔化温度以后，随着液相量增加，试样形状会逐渐改变试样变形法就是根据这一原理而制定的。如图 2-2 所示，随着温度升高，圆柱形试样由(a)经过烧结收缩，然后逐步熔化，试样高度不断降低，如(b)、(c)所示，最后

29、接近全部熔化时，试样完全塌下铺展在垫片上(d)。由此可见，只要规定一个高度标记，对应的温度可以用于相对比较不同渣系熔化温度的高低，同时也可比较不同渣熔化的快慢，析出液相的流动等。习惯上取试样高度降到二分之一时的温度为熔化温度，即半球点温度，也可称为熔点。h 5/6h 1/2h 1/3h(a) (b) (c) (d)图2-2 保护渣样品熔化过程形状变化2.5.2试验装置实验装置如图2-3所示，它可分为高温加热系统，测温系统和试样高度光路放大观测系统。试样加热用 Mo丝炉。炉温用程序温度控制仪控制。样品温度用双铂铑热电偶测定。试样放在垫片上，垫片材料是刚玉质上放铂金片，要求不与试样起反应。热电偶工作端须紧贴于试样垫片之下。用光学系统把试样投影到屏幕上以便观察其形状。1 光源部分 2 送料车 3 通气管道 4 水冷管道