连铸保护渣粘度特性及机理研究

选课课号：(2011-2012-2)-B110271-320401-1 课程类别：专业任选课

《冶金实验研究方法》课程考核

（课程论文）

连铸保护渣粘度特性及机理研究

姓名ＸＸX

专业班级冶金工程

学号

授课老师张明远

得分

重庆科技学院冶金与材料工程学院

201 年6月日

一．前言

连铸保护渣的粘度,对结晶器内发生的冶金行为包括液渣流入和消耗、润滑、夹杂物吸收等产生重要影响。所以,为了确保保护渣在浇铸中的良好性能, 就必须高度重视粘度特性的研究和优化。

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[1]。

本文对Li2O等添加剂对高速连铸保护渣粘度及稳定性的影响规律，Li2O, Na2O, K2O, F- 降低保护渣粘度作用的能力进行实

验研究,并分析了保护渣粘度特性的机理。二．国内外研究理论成果

2.1 粘度的影响因素

粘度决定于熔渣的化学成分和温度。在一定温度范围内,粘度和温度的关系服从阿累思维乌斯公式:

G = Aexp(E/RT) (1)

式中 A ——阿累尼乌斯常数

E ——粘性流体的活化能

R ——气体常数

T ——绝对温度

实际应用中,通常以lnG-1/T曲线描述粘度与温度的关系。曲线包括三部分,高温时以E/ R为斜率的线性部分,范围窄的非线性部分,低温时的垂直部分。线性部分与垂直部分的交点被成为拐点,通常拐点处的温度被称为凝固温度或结晶温度。

此外下列物质对粘度有很大影响:

碱金属氧物: Na2O,K2O,Li2O

碱土金属氧化物: CaO,BaO

氟化物: CaF2,NaF

氧化硼: B2O3

这些都作为熔剂,使保护渣粘度降低。

2.2保护渣粘度的影响理论分析

2.2.1 碱金属氧化物

Li2O、Na2O、K2O 等碱金属氧化物,属网络外体,由于Na+ 、K+ 、Li+ 的电荷少、半径大,和O2-的作用力较小,在保护渣液体结构中能提供非桥氧原子,使O/ Si增大,对渣的网络结构具有较强的破坏作用,使渣的粘度降低。但试验结果表明,虽然Na+、K+ 与O2- 结合力较Li+ 的弱,能够更易提供非桥氧,但在加入等量的Li2O、Na2O、K2O 后,只有Li2O能够显著降低保护渣的粘度,而K2O、Na2O的作用却较小。究其原因,这可能是由于Li2O 和Na2O、K2O在液体保护渣熔体中对网络结构的发生不同的作用造成的。理论推断的两种对网络的作用模式分别描述于图2, 3[2]。

由于Al2O3的Al3+与O2-结合成( AlO4)- 5铝氧四面体,而加入的Na2O、K2O,由于具有强于Li2O提供O2-的能力,Na+便与(AlO4)5-四面体中心的Al3+ 结合在一起,形成如图3所示的网络结构,其结果不但没有起到断网的作用,

反而使熔渣网络加大。因此,消弱了降低粘度的作用。除了Li2O、K2O、Na2O 断网作用不同外,还与Li2O的离化作用关。Li+属于非惰性气体型离子,对硅氧键的氧离子极化、变形、减弱硅氧键结合的作用大,容易在熔渣网络结构形成缺陷或不对称中心,因而导致粘度下降。在连铸保护渣中,当O/ Si比很低时,对粘度起主要作用的是硅氧四面体[SiO4]间的键力,极化力最大的Li+减弱Si-O-Si键的作用最大,Na+次之,K+最小, 故加入等量的Li2O、K2O、Na2O降低粘度作用的顺序为Li2O>Na2O>K2O。

2.2.2 碱土金属氧化物

渣中碱土金属氧化物MgO,也是网络外体,其对保护渣粘度的影响比较复杂。因为, 一方面和Na+、K+、Li+等碱金属离子一样, 能使硅氧负离子团解聚使粘度降低,但另一方面,它的电价数较大面半径又不大,因此, 其离子势Z/r较Na+、K+ 、Li+ 大,能夺取硅氧负离子团中的O2-来包围自己,导致硅氧负离子团聚合。如2[SiO4]4- [ Si2O7]6- + 被夺去的O2-使网络结构复杂,粘度增大。含MgO 保护渣试样粘度测试结果表明,MgO取代部分CaO保持(CaO+ SiO2)/CaO为定值,使保护渣高温粘度降低,低温粘度升高幅度不大, 即在较宽的温度范围内,保护渣粘度具有较高的稳定性,并达到了本研究加入MgO降低渣的低温粘度的目的。这种现象是第一方面的原因占主导的结果。这是由于体系的温度降低,MgO很难夺取硅氧负离子团中的O2-, 聚合作用难于凑效,可见,引入适量的MgO 能够起到降低、稳定保护渣粘度的作用[3]。

2.2.3 F-离子的作用

许多研究已经证实,CaF2调整酸性渣粘度的作用比碱性氧化物大,这是因为CaF2比Na2O及CaO能引入更多的阴离子,并且由于F- 的静电势(Z/r=0.74)比O2-静电势(Z/r= 1.

52)弱得多,且F-离子半径为0.14nm,O2-为0.13 nm,非常接近,所以它使硅氧负离子团解体的作用要大得多但是实验结果表明, 过量引入F-,如从10%增至12%时,其降低粘度的作用很小Kozakevitch假设和Baak假设分别对上述现象进行解释[4]。即对于F- %< 10 时的情况,认为F-的断网作用占优势,与硅氧负离子团发生如图4的反应。

而对于F-%>10%的情形,认为过多的CaF2形成与硅氧离子结合的CaF+离子偶,O-Ca-O键断裂占优势,如图5所示

,

左式表明,不存在简单的F-Si-O四面体。所以,加入的多余的F-,降低粘度作用变小。2.2.4稳定性原则

保护渣粘度的稳定性对于结晶器内的凝固行为是非常重要的。保护渣在结晶器内温度及成分都会随浇铸时间发生变化。为了充分发挥保护渣的功能,要求保护渣的粘度不会因温度和成分的变化而发生较大波动,具有较高的稳定性[5]。

三．研究方案设计

(1)Li2O对粘度及其稳定性影响的研究

在R = 0.97, Al2O3= 5%，MgO=5%,Na2O=8 %,F-=8%基料成分条件下,测试具有不同Li2O含量(0、1、2、3、4、5 %)、不同Al2O3含量(3、5、9、12、1 5、18 %)试样的高温粘度, 探讨Li2O降低及稳定粘度的作用。

(2) Li2O、Na2O、K2O、F-对保护渣粘度影响的比较研究

通过对具有不同Li2O、Na2O、K2O、F- 含量试样的粘度测试,分析比较Li2O、Na2O、K2O、F- 对粘度影响能力的差异。

（3)MgO对粘度的影响研究

熔化特性研究表明,MgO的适量加入,