中碳鋼與低碳鋼保護(hù)渣及渣膜礦相特征對(duì)比

張韓，趙颯，韓秀麗，劉磊

(1. 嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船建分院, 浙江 嘉興 314003；2. 華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 河北 唐山 063009)

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中碳鋼與低碳鋼保護(hù)渣及渣膜礦相特征對(duì)比

張韓1，趙颯1，韓秀麗2，劉磊2

(1. 嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船建分院, 浙江 嘉興 314003；2. 華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 河北 唐山 063009)

中碳鋼；低碳鋼；保護(hù)渣；渣膜；礦相特征

通過(guò)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中碳鋼和低碳鋼用保護(hù)渣及渣膜礦相特征對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)中碳鋼保護(hù)渣中螢石含量較高，其可促使熔渣中槍晶石析出達(dá)到良好控制傳熱的目的；中碳鋼事故渣膜偏向析出槍晶石晶體或結(jié)晶率較低，從而引發(fā)惡化潤(rùn)滑或控制傳熱不均；低碳鋼保護(hù)渣渣膜結(jié)晶率明顯低于中碳鋼渣膜，而且其結(jié)晶相全部為槍晶石。

0 引言

鋼鐵作為國(guó)家的經(jīng)濟(jì)命脈，連續(xù)鑄鋼技術(shù)日益成熟。在其生產(chǎn)過(guò)程中，保護(hù)渣發(fā)揮著至關(guān)重要的冶金功能[1-3]。保護(hù)渣冶金功能的實(shí)現(xiàn)又取決于鑄坯與結(jié)晶器之間的渣膜礦相結(jié)構(gòu)，而渣膜礦相結(jié)構(gòu)與保護(hù)渣的礦物組成密不可分。中碳鋼鑄坯容易形成應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋，低碳鋼對(duì)保護(hù)渣的潤(rùn)滑要求較高。以往的研究者先后利用純化學(xué)試劑改變保護(hù)渣的化學(xué)成分，研究其與熔點(diǎn)、黏度、熔化速度、凝固溫度和燒結(jié)溫度等物理性能的關(guān)系，并得到了保護(hù)渣成分與這些性能的定性或定量關(guān)系[4-7]。但對(duì)渣膜礦相結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)較少。通過(guò)對(duì)比中碳鋼與低碳鋼用保護(hù)渣及渣膜礦相的差異，研究其與鑄坯質(zhì)量的關(guān)系，為配制不同鋼種保護(hù)渣提供依據(jù)。

1 保護(hù)渣及渣膜的采集與統(tǒng)計(jì)

研究所用保護(hù)渣和渣膜分別取自唐山鋼鐵公司的中碳鋼Q235B和唐山國(guó)豐鋼廠的低碳鋼Q195L、SAE1006-B。選出具有代表性的渣膜，并將渣膜沿?cái)嗝娣较蜃龀晒獗∑?，以方便在德?guó)蔡司偏光顯微鏡下進(jìn)行觀察。渣膜試樣的液渣消耗及板坯表面質(zhì)量情況見(jiàn)表1。

表1 渣膜試樣相應(yīng)參數(shù)對(duì)比

由表1可知，對(duì)于Q235B鋼種取1#～2#渣膜為正常渣膜，對(duì)應(yīng)的鑄坯質(zhì)量完好。3#～4#渣膜對(duì)應(yīng)的鑄坯質(zhì)量分別有表面縱裂和粘結(jié)漏鋼現(xiàn)象。唐山國(guó)豐鋼鐵廠中所取渣膜對(duì)應(yīng)的均無(wú)鑄坯質(zhì)量問(wèn)題。由于板坯鋼種對(duì)保護(hù)渣的消耗量要求均在0.3～0.7 kg/t的范圍[8]，由表1可看出所選鋼種的保護(hù)渣消耗量和液渣層厚度均達(dá)到要求，液渣層厚度在8～13 mm之間。由此可以初步估計(jì)保護(hù)渣能夠保證結(jié)晶器與鑄坯之間的液態(tài)潤(rùn)滑。

2 保護(hù)渣的理化性能

保護(hù)渣的化學(xué)成分分析來(lái)源不同，其中Q235B鋼種用保護(hù)渣化學(xué)成分及物理性能由唐鋼中厚板有限公司的化驗(yàn)室測(cè)定， Q195L、SAE1006-B鋼種用保護(hù)渣的化學(xué)成分及物理性能來(lái)自于唐山國(guó)豐鋼廠，如表2、表3所示。

表2 保護(hù)渣的化學(xué)成分(%)

表3 保護(hù)渣的物理性能

由于Q235B的含碳量在0.09%～0.15%的范圍內(nèi)，該類(lèi)鋼種在δ(鐵素體)-γ(奧氏體)相轉(zhuǎn)變的過(guò)程中容易發(fā)生包晶反應(yīng)，使坯殼體積收縮，產(chǎn)生縱裂紋。所以該類(lèi)鋼種選擇堿度較高的保護(hù)渣，通過(guò)調(diào)節(jié)堿度的大小和助熔劑的含量達(dá)到減低熔點(diǎn)和增大結(jié)晶率的目的，從而控制傳熱與潤(rùn)滑。由于板坯Q195L和SAE1006-B含C量較低，該類(lèi)鋼種易于發(fā)生漏鋼事故，這就要求保護(hù)渣具有較強(qiáng)的潤(rùn)滑能力，其次還應(yīng)具有控制鑄坯與結(jié)晶器間的傳熱能力，從而形成堅(jiān)硬的坯殼。所以Q195L、SAE1006-B用保護(hù)渣的黏度較低。

3 保護(hù)渣的礦物組成

保護(hù)渣原渣中由于碳質(zhì)材料的影響，使原渣中的某些礦物組成辨認(rèn)不清，因而需要對(duì)保護(hù)渣進(jìn)行脫碳處理。有些文獻(xiàn)中指出[9]，將脫完碳的保護(hù)渣制成光薄片，在德國(guó)蔡司透/反兩用研究型偏光顯微鏡(Axioskop 40A pol)下觀察，根據(jù)各礦物的光學(xué)性質(zhì)，得出保護(hù)渣中的主要礦物成分及體積百分含量，如表4所示。

表4 保護(hù)渣原渣的礦物組成和百分含量(%)

以上觀察結(jié)果是在偏光顯微鏡下得到的，由于該保護(hù)渣均為預(yù)熔型保護(hù)渣，可以看出其所含礦物組成大致相同，且含量差異較小。在此基礎(chǔ)之上，將保護(hù)渣樣品磨細(xì)到400目，采用BDX-3200型X射線衍射儀對(duì)其礦相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，將衍射圖譜與Jade軟件中PDF卡片庫(kù)中的“標(biāo)準(zhǔn)卡片”一一對(duì)照，分析衍射結(jié)果與顯微鏡下觀察的一致性。

(1)Q235B保護(hù)渣的礦物組成

該保護(hù)渣為具有空洞的球形顆粒保護(hù)渣。保護(hù)渣中礦物組成有石英、硅灰石、螢石和少量長(zhǎng)石，玻璃相含量較多，礦物組成及X射線分析如圖1所示。

(a) Q235B保護(hù)渣衍射圖像 (b) Q235B保護(hù)渣顆粒 透(+)×200

該保護(hù)渣中石英含量較多，晶形多呈他形晶，少量呈粒狀，粒徑差異較小，晶體粒度一般為0.02～0.05 mm。硅灰石呈柱狀或板狀，形態(tài)較為粗大，晶體粒度一般為0.06～0.10 mm。螢石多呈他形晶，少量呈圓形、或三角形，晶體粒度一般為0.02～0.04 mm，分布較為均勻。長(zhǎng)石可見(jiàn)聚片雙晶，呈粒狀，但含量較少，粒徑一般為0.05～0.08 mm。

(2)Q195L保護(hù)渣渣的礦物組成

該保護(hù)渣同以上一樣為空心顆粒狀，但其中玻璃相含量較低。硅灰石呈板狀或柱狀，分布較為均勻，晶體粒徑一般為0.03～0.05 mm。石英粒徑較均一，一般為0.02～0.04 mm，晶形多呈他形晶，少量呈柱狀。長(zhǎng)石含量較少，多具有聚片雙晶，晶體粒徑一般為0.01～0.04 mm。

(3)SAE1006-B保護(hù)渣的礦物組成

保護(hù)渣顆?？锥摧^多，結(jié)構(gòu)疏松。渣中的玻璃相含量達(dá)30%～35%。硅灰石晶體形態(tài)主要呈板狀、柱狀，粒徑一般為0.05～0.10 mm。螢石多呈他形晶，少量呈圓形或三角形，晶體粒徑較小，為0.01～0.03 mm。長(zhǎng)石多呈細(xì)小針狀、柱狀，粒徑在0.03 mm左右。石英分布較為均勻，多呈他形粒狀，晶體粒徑較均一，一般為0.02～0.04 mm。

4 渣膜的礦相結(jié)構(gòu)

4.1 渣膜的礦物組成及結(jié)晶率

由于Q235B板坯渣膜分為正常渣膜與事故渣膜，首先對(duì)其進(jìn)行了比較研究。

表5 渣膜的礦物組成、含量及結(jié)晶率(%)

(a) Q235B-1#渣膜衍射圖像 (b) Q235B-3#渣膜衍射圖像

(c) 纖維柱狀硅灰石 透(+)×200 (d) 放射狀黃長(zhǎng)石 透(+)×200

由圖2和表5可以看出，Q235B板坯渣膜的結(jié)晶礦物主要為黃長(zhǎng)石、槍晶石、硅灰石，與XRD分析的礦物組成結(jié)果一致，百分含量都有較大的變化幅度；未出現(xiàn)事故的渣膜結(jié)晶率可達(dá)90%～95%，而事故渣膜結(jié)晶率或結(jié)晶礦相發(fā)生了明顯變化：3#事故渣膜結(jié)晶率為65%～70%，玻璃化率增大了，4#事故渣膜雖然結(jié)晶率高達(dá)90%～95%，但槍晶石偏向性析出，其含量可達(dá)50%，惡化了渣膜對(duì)鑄坯的潤(rùn)滑。

(a) SAE1006-B鋼種渣膜中的槍晶石 (b) SAE1006-B鋼種渣膜中的槍晶石

Q195L 和SAE1006-B鋼種的鑄坯軋后容易出現(xiàn)條狀缺陷及較高的粘結(jié)漏鋼率，此外該類(lèi)鋼種的拉速變化頻率也較高一些，同時(shí)由于低碳鋼板坯的凝固收縮率較低，結(jié)晶器中的的坯殼相對(duì)較薄，從而要求保護(hù)渣能夠具有較好的潤(rùn)滑能力。由圖3和表5中可以看出，該類(lèi)鋼種所用保護(hù)渣中只析出槍晶石一種晶體，且結(jié)晶率較低，說(shuō)明該種礦相結(jié)構(gòu)在控制傳熱的基礎(chǔ)上有效地提高了潤(rùn)滑，可滿足其板坯對(duì)保護(hù)渣性能的要求。

4.2 渣膜的顯微結(jié)構(gòu)特征

首先對(duì)Q235B鋼種保護(hù)渣的1#-4#典型渣膜礦相進(jìn)行了分析。

(1)Q235B鋼種渣膜

1#渣膜厚度為1.15～1.40 mm；局部最大厚度為1.65 mm，最小厚度為0.95 mm。渣膜整體分層不明顯，結(jié)晶相占絕大部分；局部分層呈現(xiàn)2層結(jié)構(gòu)，即結(jié)晶層～玻璃層(如圖4(a))，有時(shí)結(jié)晶層因礦物組成不同進(jìn)一步分開(kāi)層次。緊靠結(jié)晶器壁側(cè)為玻璃層，但不連續(xù)，厚度一般為0.1～0.15 mm；向鑄坯方向晶體尺寸逐漸變大，結(jié)晶層厚度也不太均勻，一般為0.95～1.30 mm。整個(gè)渣膜中氣孔都很少，僅在靠近結(jié)晶器的結(jié)晶層中有零星氣孔出現(xiàn)，近圓狀，直徑大小一般在0.05～0.08 mm。氣孔率小于1%。

(a) Q235B-1#渣膜 透(-)×100 (b) Q235B -4#渣膜 透(-)×100

(c) Q195L渣膜 透(-)×50 (d) SAE1006-B渣膜 透(-)×50

2#渣膜厚度一般為0.75～0.90 mm。渣膜分層較為復(fù)雜，大致呈“結(jié)晶層～玻璃層”2層結(jié)構(gòu)，結(jié)晶層礦物組成不同進(jìn)一步分開(kāi)層次；部分樣品分層為3層結(jié)構(gòu)，且結(jié)晶相占絕大部分，結(jié)晶層中間厚度較大，在1.00 mm左右；緊靠結(jié)晶器壁基本上均為玻璃相，但不連續(xù)分布，且縱向上不均勻，一般為0.05～0.15 mm；在鑄坯一側(cè)為不連續(xù)的結(jié)晶層，厚度可達(dá)0.65 mm。器壁側(cè)的結(jié)晶層中含有約1%～2%的近圓狀氣孔，分布不均。3#渣膜厚度比較均勻，一般為0.90～1.15 mm。渣膜整體分層比較明顯，一般為3～4層的多層結(jié)構(gòu)，結(jié)晶層和玻璃層交替出現(xiàn)，即玻璃層～結(jié)晶層～玻璃層，有時(shí)為結(jié)晶層～玻璃層～結(jié)晶層～玻璃層，且結(jié)晶層因礦物組成和粒度大小不同進(jìn)一步分開(kāi)層次，這可能是由于拉速變化所致[10]。緊靠結(jié)晶器壁和鑄坯側(cè)一般均為不連續(xù)分布的玻璃層，前者厚度一般為0.10～0.30 mm，后者厚度一般為0.15～0.35 mm，局部最大厚度達(dá)0.70 mm。緊靠鑄坯側(cè)的玻璃層邊緣局部因“脫?；背霈F(xiàn)厚度為0.05～0.10 mm的結(jié)晶層；渣膜中部的結(jié)晶層厚度較大，一般為0.30～0.55 mm。在靠近器壁側(cè)玻璃層與結(jié)晶層的交界處分布著約為2%～3%的氣孔，形狀多為圓狀或橢圓狀，大小不一。

4#渣膜厚度一般為1.05～1.35 mm，局部最大厚度為1.50 mm。渣膜分層較為明顯，大致呈兩層結(jié)構(gòu)，即“結(jié)晶層～玻璃層”，有時(shí)結(jié)晶層因礦物組成不同進(jìn)一步分開(kāi)層次(如圖4(b))。緊靠結(jié)晶器側(cè)的玻璃層邊緣局部因“脫?；?，發(fā)生玻璃相向結(jié)晶相的轉(zhuǎn)化，玻璃層中生成細(xì)小的雛晶體。鑄坯側(cè)的結(jié)晶層厚度不均勻，可能由于渣膜與坯殼的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使靠近液相區(qū)的部分固態(tài)渣膜結(jié)晶相不斷地隨液渣消耗掉。少量氣孔集中分布在靠近結(jié)晶器壁側(cè)，氣孔率約為2%。

(2)Q195L鋼種渣膜

渣膜的顯微結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4(c)，該渣膜厚度較均勻，一般為1.30～1.55 mm。該渣膜的結(jié)晶率為20%～25%，具有“結(jié)晶層-玻璃層”2層結(jié)構(gòu)，少量渣膜可見(jiàn)“結(jié)晶層-玻璃層-結(jié)晶層”3層結(jié)構(gòu)。鑄坯側(cè)的結(jié)晶層厚度較大，為0.25～0.35 mm，結(jié)晶層由于結(jié)晶的晶體粒度不一又進(jìn)一步分開(kāi)層次，靠近鑄坯側(cè)的為粒徑較小的槍晶石雛晶，為0.01 mm左右，緊接著為粒徑較大的槍晶石晶體，為0.01～0.03 mm，呈矛頭狀或板狀。玻璃層厚度一般為1.00～1.20 mm，較為均勻。結(jié)晶器側(cè)少量渣膜樣品可以見(jiàn)到部分結(jié)晶層，且不連續(xù)，厚度為0.02～0.05 mm，其中的結(jié)晶礦物也為槍晶石，粒徑比鑄坯側(cè)的稍細(xì)小，為0.01～0.02 mm。渣膜中氣孔較少，主要集中分布于鑄坯側(cè)的結(jié)晶層里，結(jié)晶率為1%～2%。

(3)SAE1006-B鋼種渣膜

渣膜的顯微結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4-d，渣膜厚度較均勻，一般為1.30～1.50 mm，個(gè)別渣膜厚度較大，達(dá)1.80 mm。該渣膜的結(jié)晶率較低，約15%～20%。從鑄坯至結(jié)晶器側(cè)多呈“結(jié)晶層-玻璃層”兩層結(jié)構(gòu)，局部呈“結(jié)晶層～玻璃層～結(jié)晶層”3層結(jié)構(gòu)。在2層結(jié)構(gòu)中，局部結(jié)晶層不連續(xù)，或整個(gè)渣膜中只有少量結(jié)晶相。結(jié)晶礦物主要為槍晶石，晶形呈矛頭狀或板狀，粒徑一般為0.025～0.04 mm，靠近鑄坯側(cè)的晶粒較小，約0.01 mm；3層結(jié)構(gòu)中，除在鑄坯側(cè)有結(jié)晶相外，靠近結(jié)晶器側(cè)也有少量的結(jié)晶相，結(jié)晶層厚度約為0.01～0.02 mm，該結(jié)晶相中的礦物也為槍晶石，呈雛晶狀，粒徑較細(xì)，可能是由于從鑄坯側(cè)的熱流導(dǎo)致原本靠近結(jié)晶器側(cè)的玻璃相渣膜“脫玻化”引起的。玻璃相厚度較為均勻且厚度較大，從而有力于熱流傳遞與潤(rùn)滑，可以保證連鑄的順利進(jìn)行。

5 結(jié)論

(1)中碳鋼保護(hù)渣中螢石含量比低碳鋼用保護(hù)渣高，主要因?yàn)槲炇峁〧—促使熔渣生成槍晶石以達(dá)到良好控制傳熱的目的。也可以看出化學(xué)成分SiO2和CaO二者主要賦存于硅灰石中，石英礦物中主要賦存SiO2，F(xiàn)—以螢石礦物賦存，Na2O和 K2O等主要以長(zhǎng)石或玻璃相賦存。

(2)中碳鋼Q235B存在不同的質(zhì)量問(wèn)題，渣膜的結(jié)晶礦物主要為黃長(zhǎng)石、槍晶石、硅灰石，百分含量都有較大的變化幅度；其正常渣膜結(jié)晶率較高，均達(dá)到90%～95%；而出現(xiàn)縱裂紋的事故渣膜結(jié)晶率有降低的趨勢(shì)，達(dá)到65%～70%；出現(xiàn)黏結(jié)漏鋼的事故渣膜結(jié)晶率雖也達(dá)到90%～95%，但結(jié)晶礦相中偏向析出槍晶石晶體，含量可達(dá)50%，不利于潤(rùn)滑。

(3)低碳鋼板坯用保護(hù)渣渣膜的結(jié)晶率明顯低于中碳鋼板坯用渣膜的結(jié)晶率，而且其結(jié)晶礦相全部為槍晶石，只是槍晶石的分布位置略有差異。

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Comparison of Ore Phase Characteristics of Casting Powder and Flux Film for Medium Carbon Steel and Mild Steel

ZHANG Han1, ZHAO Sa1, HAN Xiu-li2, LIU Lei1

(1. Department of Ship and Building, Nanyang Vocational Technical Institute, Jiaxing Zhejiang 314003, China;2. College of Mining Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063009, China)

medium carbon steel; mild steel; mould flux; flux film; ore phase characteristic

Through the comparative study on ore phase characteristic of mould fluxes and flux film about medium carbon steel and mild steel, it is found that the content of fluorite in the medium carbon steel is higher, which can prompt cuspidine separate out to control the heat transfer. The flux film about accident of medium carbon steel separates out cuspidine or has a low crystallization rate, which can cause lubrication worse and control the heat transfer worse. The crystallization rate of mould fluxes about mild steel is lower obviously than that of medium carbon steel and the crystalline phase are all cuspidine.

2095-2716(2016)01-0006-07

2015-10-29

2015-12-01

TF713.3

A