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                      连铸用浸入式水口的蚀损机理

                      发布日期: 2020-11-13 11:44:11    阅读量(112)    作者:

                      浸入式水口是连铸过程中,关键的功能耐火材料之一,其在使用中的工作环境非常恶劣,容易造成蚀损,以下是连铸用浸入式水口的蚀损机理,供参考:

                      ①浸入式水口在钢水内的整体蚀损

                      目前连铸生产技术所采用的结晶器浸入式水口主要是铝碳-锆碳质复合水口,本体为铝碳质,渣线部位为锆碳质,因此浸入式水口在钢水中的蚀损,也就是钢水对铝碳质水口的侵蚀。与渣线部位在钢-渣-耐材三相交界面所处的恶劣环境相比,浸入式水口耐材在钢水中的侵蚀要小得多,主要是发生碳的氧化,以及受到钢水的冲刷作用而造成侵蚀。由于钢水中含有一定的自由氧,当钢水与水口内壁接触的时候,与石墨润湿性良好的钢水会氧化或者溶解碳,造成水口耐材的损毁。而碳氧化后会形成气孔,并且形成气体层,从而阻止钢液的侵入。

                      一方面钢水对水口耐材中的碳具有很好的润湿性,能够氧化或者溶解水口中的碳,然后在水口壁面上形成氧化层,在钢水的冲刷作用下掉入钢水中。另外一方面与钢水接触部位材质为铝碳质,钢水对于氧化铝大颗粒的溶解度很低,因此氧化铝颗粒很难溶解进入钢水中,对于这部位只是受到钢水的冲刷作用而造成侵蚀。因此浸入式水口在这个部位的侵蚀速度非常慢,并不是影响水口使用寿命的关键因素。

                      ②浸入式水口在钢-渣液面上的蚀损

                      由于浸入式水口渣线部位处于钢-渣-耐火材料三相交界面处,其使用环境的恶劣造成了渣线部位出现局部的蚀损。这是因为在连铸过程中,长时间高温下,钢、渣、水口耐材界面会发生各种复杂的物理化学反应,而造成侵蚀。这些过程主要包括:晶体结构的改变以及破坏造成的缺陷;渣的渗透;固溶体的形成和破坏;烧结与再结晶;熔渣和熔体中各个系统组分的分解等。由于△G质浸入式水口在钢-渣界面处的侵蚀比较严重,为了提高水口的抗渣侵蚀性能,从而延长浸入式水口的使用寿命,因此发展出了在渣线部位复合一层ZrO2-C质耐材的复合式水口。所以,浸入式水口在钢-渣界面上的侵蚀情况实际上就是ZrO2-C材质的受侵蚀情况。

                      图1复合耐火材料蚀损过程示意图

                      对于渣线部位的局部侵蚀机理,很多学者都做了详细的研宄报道,向井等人详细的阐述了其侵蚀机理,他们认为如图1所示,(a)表示了随着钢-渣液面的不停的相对运动并对渣线部位造成侵蚀。当钢-渣界面处于下降过程中的时候,?;ぴ峤氲剿谀筒谋诿嬗敫炙?,在水口壁面上形成一层渣薄膜。由于?;ぴ运谀筒闹醒趸锏木哂辛己玫娜笫?,而导致锆碳质耐材中的氧化物溶解进入渣中,从而使水口中的石墨暴露出来,?;ぴ允笫院懿?,很难润湿石墨所以?;ぴけ慌懦舛笸?,相反钢水对石墨的润湿性却很好能氧化溶解碳,所以渣和金属的界面开始上升,如图1(b)所示为钢-渣界面的上升时期,石墨与钢水接触后,钢水很快变氧化或者溶解水口耐材中的碳。碳被氧化溶解后,又会导致水口耐材中的氧化物富集在水口壁表面,对氧化物润湿性很好的?;ぴ俅吻秩?,又一次形成渣薄膜。正是由于这个过程的反复交替循环出现,从而导致了水口的局部蚀损。并且在这个过程中,?;ぴ运谀筒牡牟欢锨质慈芙?,在钢-渣界面处的?;ぴ岵喽耘ǘ忍荻?,同时会存在较大的界面张力梯度,对于定性的判定钢-渣界面附近的渣膜运动机理需要弄清楚界面张力梯度。如图2所示,当?;ぴ秩胨诒诿嬗敫炙涞募湎妒北湓谒诒诿娲π纬稍∧?,而如果随着渣液面的下降,时间越长,渣膜越薄。因此,渣膜中ZrO2等浓度和金属中氧浓度就高,由该浓度梯度所产生的界面张力的浓度即为马栾哥尼对流效应,如图2所示为在钢-渣界面产生的马栾哥尼对流(M)。另外因熔渣是非压缩液体,所以还产生了像(N)那样的流动。

                      图2在渣-金属界面上渣膜的运动和气泡渣

                      图中M—马栾哥尼效应;N—马栾哥尼对流;D—浓度。另外由于水口耐材中的氧化物溶解进入渣中会产生浓度梯度,同时也会使熔渣的密度发生改变,从而会发生自燃对流。在钢-渣界面处所形成的渣膜厚度对自燃对流以及马栾哥尼对流均具有较大的影响,其中马栾哥尼数与渣膜的厚度的1次方成正比,而产生自然对流大致标准的瑞利数与渣膜的厚度的3次方成正比。

                      所以,可以根据瑞利数以及马栾哥尼数与渣膜厚度关系,确定宄竟是马栾哥尼对流与由因水口耐材中的氧化物被?;ぴ质辞质慈芙舛贾碌呐ǘ忍荻炔淖匀欢粤魉挠跋旄?,则就被视为影响局部侵蚀的重要因素。

                      ④浸入式水口在渣液面的蚀损

                      即使?;ぴ允娜笫院懿?,在一定的程度上能够减缓水口耐材的侵蚀,但是由于水口耐材本身因致密的问题存在一定的气孔,碳氧化后也会会形成气孔同时?;ぴ母髦治锢砘灾实挠跋於运诰哂泻芎玫娜笫?,同样会在水口渣线部位造成比较严重的蚀损,影响了浸入式水口的使用寿命,从而影响多炉连浇的顺行。

                      在连铸过程中,由于结晶器的振动会造成渣与浸入式水口的相对运动,而在水口壁面上形成的渣膜也会发生相应的运动,这种运动方式与向井楠宏等人研宄提出的渣膜运动方式相同。他们认为渣膜的运动模式为:当水口耐材壁面上的渣膜逐渐变厚之后,由于重力的作用会沿着水口壁面不断的向下滴落导致壁面上的渣膜开始渐渐变薄,而液渣受结晶器振动的影响处于上升过程中的时候,水口壁面上的渣膜又会恢复到一定的厚度,又对水口耐材中的氧化物进行润湿溶解,正是由于渣膜这样反复运动从而造成对水口的不断侵蚀。

                      图3浸入式水口渣线上损毁层形成的示意图

                      ?;ぴ运谀筒牡那质瓷腹涛旱彼谀筒闹械氖约坝谢辰蛹帘谎趸蠡嵝纬纱罅康钠?,正是由于这些气孔以及水口耐材本身所存在的气孔为?;ぴ那秩胩峁┝送ǖ?,导致?;ぴ那质瓷讣泳?。侵入的熔融的低粘度的?;ぴ胨谀筒闹械难趸锝哟シ⑸笫?,会发生各种复杂的化学反应,并在渗透层氧化物颗粒的周围形成一些玻璃相。如图3所示。

                      无论是在钢液-渣液面还是水口-渣液面的局部蚀损,水口耐材中骨料的ZrO2的变化在一定程度上也影响了水口的抗侵蚀性能。浸入式水口在加热时,由于石墨粉中的氧化物进行还原反应产生了气体与CaO反应生成液相,是氧化锆从立方晶转变为单斜晶,使这些颗粒裂解,如图4所示。渣侵透石墨粉导致石墨粉中的SiO2和Al2O3减少和气体晶相量增加。这些物质会与稳定氧化锆发生反应,造成稳定剂CaO的脱溶,继而促进了氧化锆由四方晶系向单斜晶系的马氏体转变,造成裂解细化。

                      图4氧化锆原料的损毁机理(C-:立方晶;m-:单斜晶)

                      综观上述研宄,对浸入式水口在连铸过程中受到钢渣侵蚀作用的行为已解析得比较清楚,为改进水口材质和评价?;ぴ质醋饔玫於顺浞值睦砺刍?。

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