Zr-C質(zhì)浸入式水口侵蝕機(jī)理的研究

徐其言，朱正海

(安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002)

Zr-C質(zhì)浸入式水口侵蝕機(jī)理的研究

徐其言，朱正海

(安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002)

針對(duì)Zr-C質(zhì)浸入式水口易侵蝕現(xiàn)象，選取某鋼廠被侵蝕的Zr-C質(zhì)水口試樣，采用掃描電鏡對(duì)試樣的侵蝕物進(jìn)行檢測(cè)，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行驗(yàn)證，研究Zr-C質(zhì)浸入式水口的侵蝕機(jī)理。結(jié)果表明：現(xiàn)場(chǎng)Zr-C質(zhì)浸入式水口的侵蝕機(jī)理是機(jī)械沖刷和化學(xué)侵蝕，以SiO2和CaO為主要成分的結(jié)晶器保護(hù)渣對(duì)Zr-C質(zhì)浸入式水口的侵蝕作用較大，且有新的化合物生成，產(chǎn)物為Ca0.15Zr0.85O1.85。

Zr-C質(zhì)浸入式水口；侵蝕機(jī)理；結(jié)晶器

結(jié)晶器作為連鑄生產(chǎn)的關(guān)鍵部件，對(duì)鋼水的凝固、成型以及純凈度起著決定作用[1]。因此，結(jié)晶器內(nèi)水口的幾何尺寸、操作參數(shù)以及水口的侵蝕對(duì)鋼液的凈化、凝固、鑄坯表面質(zhì)量有重要的影響。浸入式水口是連鑄生產(chǎn)中易侵蝕的部件[2]，它的使用壽命決定著連澆的爐數(shù)，若其發(fā)生崩裂，則會(huì)中止?jié)茶T或?qū)︿撍|(zhì)量造成惡劣影響。國內(nèi)外許多冶金學(xué)者對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)行為以及水口的侵蝕機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，發(fā)現(xiàn)浸入式水口的侵蝕受多方面因素的影響，主要有鋼水的流動(dòng)沖刷作用、流速、水口的插入深度[3-5]、水口的開口尺寸以及保護(hù)渣的組分和性能[6-7]。為此，文中針對(duì)國內(nèi)某鋼廠現(xiàn)場(chǎng)被侵蝕的Zr-C質(zhì)水口進(jìn)行研究，分析Zr-C質(zhì)浸入式水口的侵蝕機(jī)理，以期進(jìn)一步提高結(jié)晶器內(nèi)水口的壽命和改進(jìn)鑄坯質(zhì)量。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

國內(nèi)某鋼廠現(xiàn)場(chǎng)使用的水口本體及渣線以下的成分和含量見表1。由表1可知，水口本體中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為63.75%，渣線以下水口中ZrO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為77.24%，本體和渣線以下的水口國碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為22.31%和11.81%，表明該水口為鋁鋯碳質(zhì)水口[8]的本體主要采用A l2O3-C質(zhì)，渣線部位采用ZrO2-C質(zhì)。保護(hù)渣成分主要有Na2O，C，F(xiàn)-，CaO，SiO2及其它雜質(zhì)。對(duì)該水口的侵蝕部位進(jìn)行取樣，如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在水口渣線下被侵蝕層切1塊侵蝕樣，將其制成底部邊長(zhǎng)為4mm的矩形，高度為10mm的立體形試樣。采用掃描電鏡對(duì)該試樣進(jìn)行能譜分析，得出侵蝕水口的成分。用銼刀在侵蝕水口表層刮下一些粉末，對(duì)粉末進(jìn)行研磨，作衍射分析，得出侵蝕產(chǎn)物化學(xué)組成。

取該水口沒有侵蝕的部分，且制成底部為1 cm× 1 cm的矩形，高為5 cm的長(zhǎng)方體試樣。選取1個(gè)Al2O3坩堝，且將現(xiàn)場(chǎng)使用的保護(hù)渣放入，再將長(zhǎng)方體試樣插入坩堝中，將石墨坩堝套在A l2O3坩堝上，使用馬弗爐對(duì)坩堝加熱4 h后，將水口快速從坩堝中取出，放在耐火磚上冷卻。用銼刀在水口和保護(hù)渣接觸熔化層挫下一些粉末試樣進(jìn)行衍射分析，得出反應(yīng)產(chǎn)物。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)侵蝕水口侵蝕物的檢測(cè)結(jié)果與分析

采用掃描電鏡對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水口侵蝕試樣進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖2。由圖2可知，現(xiàn)場(chǎng)水口侵蝕層中主要含的元素為C，O，Na，Al，Zr，Ca，Mn，F(xiàn)e，Mg，Si等。將能譜分析得到的TXT格式數(shù)據(jù)通過PCPDFW IN軟件(JCPDS-ICDD2002)和ORIGIN處理，查找并標(biāo)示譜圖如圖3。

侵蝕試樣的XRD圖見圖4。查看Ca0.15Zr0.85O1.85的標(biāo)準(zhǔn)譜圖[9]，結(jié)合圖4可知，現(xiàn)場(chǎng)水口侵蝕試樣的衍射花樣在30.157°處(Ca0.15Zr0.85O1.85)有一主峰恰好和PDF卡片中物相的標(biāo)準(zhǔn)衍射花樣對(duì)應(yīng)，可以得出侵蝕層試樣有新物質(zhì)生成，化學(xué)組成為Ca0.15Zr0.85O1.85。由此表明，以SiO2和CaO為主要成分的保護(hù)渣對(duì)Zr-C質(zhì)浸入式水口是化學(xué)侵蝕，產(chǎn)物為Ca0.15Zr0.85O1.85。

表1 被侵蝕水口成分及含量(w/%)Tab. 1 Eroded nozzle component and content meter(w/%)

圖1 現(xiàn)場(chǎng)被侵蝕水口試樣Fig.1 Erosion water sam p les

圖2 現(xiàn)場(chǎng)水口侵蝕層掃描電鏡能譜分析結(jié)果Fig.2 Energy spectrum analysis resultsof field water erosion layer by scanning electronm icroscope

圖3 現(xiàn)場(chǎng)水口XRD標(biāo)示圖Fig.3 Field water XRDm ap

圖4 現(xiàn)場(chǎng)水口侵蝕層XRD圖Fig.4 Nozzleerosion layer XRD diagram

但是，浸入式水口在結(jié)晶器內(nèi)還受到鋼液流動(dòng)的機(jī)械沖刷，這種沖刷與結(jié)晶器的斷面、拉速、振動(dòng)等因素相關(guān)。浸入式水口在結(jié)晶器鋼水流動(dòng)機(jī)械沖刷作用下，不斷卷入鋼液中，水口渣線被侵蝕面又與新增加的保護(hù)渣中CaO發(fā)生固溶反應(yīng)，此過程循環(huán)進(jìn)行，造成水口渣線部位侵蝕。所以在連鑄生產(chǎn)中結(jié)晶器保護(hù)渣對(duì)Zr-C質(zhì)浸入式水口的侵蝕機(jī)理除化學(xué)侵蝕外，伴隨鋼液的流動(dòng)還有機(jī)械沖刷侵蝕。

2.2 實(shí)驗(yàn)室條件下侵蝕水口的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

從馬弗爐里將坩堝取出，再將試樣迅速從坩堝中取出，進(jìn)行檢測(cè)，試樣的XRD圖如圖5。由圖5可知，在26°附近的峰主要是保護(hù)渣中SiO2的特征峰，查看并比照Ca0.15Zr0.85O1.85的標(biāo)準(zhǔn)譜圖[9]，得出侵蝕層的主要生成產(chǎn)物是Ca0.15Zr0.85O1.85。在實(shí)驗(yàn)室條件下，因是在Al2O3坩堝中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，沒有鋼液流動(dòng)，故Zr-C質(zhì)浸入式水口的侵蝕機(jī)理是化學(xué)侵蝕，這與現(xiàn)場(chǎng)水口侵蝕的化學(xué)機(jī)理一致。

圖5 實(shí)驗(yàn)室條件下的試樣XRD圖Fig.5 XRD diagram of the specim en under laboratory conditions

3 結(jié)論

1)結(jié)晶器中浸入式水口在澆鑄過程中受到鋼液流動(dòng)速度、水口傾角、水口插入深度、結(jié)晶器尺寸等因素的影響，侵蝕機(jī)理既有機(jī)械沖刷又有化學(xué)侵蝕。

2)以SiO2和CaO為主要成分的保護(hù)渣對(duì)Zr-C質(zhì)浸入式水口的侵蝕作用主要是化學(xué)侵蝕，主要的侵蝕產(chǎn)物為Ca0.15Zr0.85O1.85。

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責(zé)任編輯：何莉

A Study of Corrosion Mechanism of Zr-C Submerged Entry Nozzle

XUQiyan,ZHU Zhenghai
(SchoolofMetallurgical Engineering,AnhuiUniversity of Technology,Ma'anshan 243002,China)

In accordancewith erosiom phenomenon of Zr-C submerged entry nozzle,a sampleof theeroded Zr-C nozzle in a steelplantwasselected.Theerosion of the samplewasdetectedwith scanning electronm icroscope,and wasverfied in the laboratory.Theerosionmechanism of Zr-C submerged entry nozzlewasstudied.The resultsshow that:the erosionmechanism of the Zr-C submerged entry nozzle is themechanicalerosion and corrosion,erosion of mould powderwith SiO2 and CaO as themain componentof Zr-C submerged entry nozzle is larger,and the new compoundsare synthesized,hence the product isCa0.15 Zr0.85O1.85.

Zr-C based submerged entry nozzle;erosionmechanism;mould

TF777.1

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2014.02.003

1671-7872(2014)02-0117-03

2013-06-14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51304003)；安徽工業(yè)大學(xué)青年教師科研基金項(xiàng)目(QZ2013043)

徐其言(1982-)，男，江蘇徐州人，助理實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)檫B鑄理論新工藝。