《碱度对保护渣凝固过程的影响》
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[摘 要]通过热力学软件FactSage模拟不同碱度保护渣的凝固过程,观察期间矿相的析出顺序,记录各矿相析出温度与冷却过程中渣系的自由能,焓及熵的变化情况,测定不同碱度保护渣的凝固温度与结晶温度,以研究碱度对保护渣凝固过程的影响.结果表明,在相同基础成分下,不同碱度保护渣的凝固过程中析出矿相相不同,且随着碱度的增大,保护渣凝固温度与结晶温度均逐渐升高,凝固过程中析出的硅酸盐含量逐渐降低,期间渣系的自自由能增加,焓值增加,熵值减小,通过析出晶体的方式达到稳定状态.
[关键词]保护渣；凝固过程；碱度；凝固温度；结晶温度
中图分类号：R6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）02-0302-03
保护渣凝固特性是影响其作用发挥的重要因素,与固体渣膜的厚度和结晶器的传热速率有密切联系,影响到铸坯润滑的动力学条件.过高的凝固温度会使结晶器壁与凝固坯壳之间的摩擦力过大,导致粘接漏钢几率增加；而凝固温度过低,结晶器传热速率过大,横向温度梯度过大,导致铸坯表面产生纵向裂纹[1].在保护渣凝固过程中常伴随着着晶体的析出,结晶温度是表征连铸保护渣结晶行为的重要指标,控制着铸坯与结晶器之间渣膜的分布与结构,是协调传热与润滑的重要参数[2-4].刘承军研究保护渣结晶温度时发现,低碱度保护渣的凝固温度随着碱度的增大逐渐降低,而结晶温度逐渐升高[5-6],舒俊等对此研究发现随着碱度的增大,保护渣结晶温度呈现先升高后降低的趋势[7-8].为进一步研究碱度对保护渣凝固过程的影响,通过热力学软件FactSage模拟不同碱度保护渣的凝固过程,观察期间物相的析出顺序,记录期间渣系的热力学状态,研究不同碱度保护渣的凝固温度与结晶温度的变化情况,为深入研究碱度对保护渣凝固过程的影响提供理论依据.
1实验内容与方法
保护渣的化学组成主要是CaO、SiO2、Al2O3、Na2O、Li2O、MgO、MnO、BaO、CaF2.国内外常用的连铸结晶器保护渣是以CaO-SiO2-Al2O3硅酸盐系为基料的保护渣,在实际生产中钢种类型中的不同和连铸生产技术的差异要求符合自身生产的保护渣物化性质.
采用FactSage热力学软件中的Equilb模块模拟保护渣凝固过程,数据库选取FToxid,凝固模拟条件选定：Scheil cooling,冷却开始温度T等于1500℃,P等于1atm,T-step等于2℃.并利用Brookfield旋转粘度计测定保护渣的凝固温度,测试过程在MoSi2高温炉内进行,定点测定黏度的温度为1300℃,称取150g渣料加入石墨坩埚置于炉内,35min后渣料完全熔化.随后以4℃/min速度降温,同时以微机数据采集系统记录实验数据,可得到粘度转折点温度,即为保护渣的凝固温度.旋转黏度计测定装置如图1所示.
同时用采用单丝法对保护渣熔化结晶温度进行测定,其设备如图2所示.筛选选取粒度小于200目的试样,充分混合后均匀铺在U型热丝端头.为确保试验结果的准确性,每次试验前利用K2SO4进行温度校核,对设备参数进行修正.同一试样测试3次,每次测量后更换热丝,不得以一副热丝反复测试同一试样.
2 不同碱度保护渣凝固过程研究
2.1 不同碱度保护渣矿相析出过程模拟
利用热力学软件FactSage模擬不同碱度的保护渣凝固过程中析出的矿物,对析出温度与焓变进行记录.其不同碱度保护渣的凝固过程如图3所示：
由此可见,在MgO、Na2O、B2O3和Al2O3含量分别为8%、9%、5%和4%一致的情况下,碱度为0.9的渣系完全冷却为固相时,其矿相组成为Nepheline、Combeite、NaBO2、Mg2B2O5、CaB2O4、Ca2B2O5,其析出温度为994℃、1112℃、620℃、606℃、428℃、863℃.
碱度为0.95的渣系矿相组成为Nepheline、Combeite 、NaBO2、Mg2B2O5、CaB2O4、Ca2B2O5.其析出温度分别为993℃、1108℃、637℃、606℃、428℃、849℃.
碱度为1.0的渣系矿相组成为Nepheline 、Combeite、 NaBO2、Mg2B2O5、CaB2O4、 Ca2B2O5.其析出温度分别为994℃、1101℃、647℃、606℃、428℃、644℃.
碱度为1.05的渣系矿相组成为Nepheline、Combeite、NaBO2、Mg3B2O6、Na2SiO3、Ca3B2O6.其析出的温度分别为991℃、1092℃、658.1℃、906℃、659℃、878℃.
2.2 碱度对保护渣析晶过程的影响
根据FactSage热力学软件模拟结果可得,当R等于0.9时,在1244℃首先从液相首先析出镁蔷薇辉石,温度降低到1123℃时,析出了镁黄长石,当温度降低到1112℃时有菱硅钙钠石析出,当温度降低到994℃时析出了霞石.
当R等于0.95时,在1258℃液相首先析出镁蔷薇辉石,当温度降低到1108℃时有菱硅钙钠石析出,当温度降低到1049℃时,析出了镁黄长石,当温度降低到993℃时析出了霞石.
当R等于1.0时,在1270℃液相首先析出镁蔷薇辉石,当温度降低到1101℃时有菱硅钙钠石析出,当温度降低到993℃时析出了霞石,但未有镁黄长石析出.
当R等于1.05时,在1281℃液相首先析出镁蔷薇辉石,当温度降低到1092℃时有菱硅钙钠石析出,当温度降低到991℃时析出了霞石,当温度降低到659℃时析出了偏硅酸钠,但未有镁黄长石析出.
不同碱度保护渣冷却过程中析出的各矿相含量如表3所示.
由此可见不同碱度保护渣的凝固过程中析出的矿相有所不同,各矿相的析出温度也有所改变.随着温度的降低,不同碱度条件下保护渣均首先析出镁蔷薇辉石,且随着保护渣碱度的增大,析晶温度逐渐升高,百分含量也逐渐增加.而镁黄长石的析出温度和百分含量随着碱度的升高逐渐降低,当碱度为1.0和1.05时未有镁黄长石析出.菱硅钙钠石的的析出温度和百分含量随着碱度的升高也呈现降低趋势.霞石的析出温度和百分含量几乎不变,由此可见碱度的变化对霞石的析出影响不大.当碱度为1.05时生成了偏硅酸钠.整体来看,随着碱度的增加,保护渣凝固过程中析出的硅酸盐的百分含量逐渐降低.
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