韓秀麗，潘苗苗，張韓，劉磊

（1.河北聯(lián)合大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山，063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)實驗室，河北 唐山063009）

近幾年來，國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)為節(jié)約能源、降低成本，普遍采用高拉速連鑄技術(shù)。保護渣在保證連鑄工藝順行和獲得表面質(zhì)量優(yōu)良的鑄坯方面的作用愈顯突出，同時高拉速連鑄技術(shù)的實現(xiàn)給連鑄工藝也帶來了許多新的難題，其中保護渣潤滑和傳熱功能的正常發(fā)揮直接影響著鑄坯表面質(zhì)量［1］。保護渣功能的正常發(fā)揮與其組成成分關(guān)系重大，保護渣成分又分為化學(xué)成分和礦物成分。為提高鑄坯表面質(zhì)量，必須全面深入研究連鑄保護渣的熔化性能、粘性特征等，以滿足在高拉速連鑄條件下的結(jié)晶器內(nèi)的充分潤滑與均勻傳熱［2］。鑒于原材料對保護渣的性能和穩(wěn)定性以及加工性能有著較大影響，實驗室內(nèi)由化學(xué)純試劑配制而成保護渣，均有一定的局限性，其研究成果不能直接用于現(xiàn)場指導(dǎo)配渣生產(chǎn)。因此在實驗室內(nèi)配比不同礦物成分的保護渣，并研究礦物成分對保護渣熔點和粘度的影響對于連鑄工業(yè)保護渣應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。

1 實驗

1.1 渣料配制

本實驗選用水泥熟料為主，少量硅灰石為輔作為實驗保護渣的基料成分，并添加適量石英砂來調(diào)整基料的堿度；選用螢石（CaF2）和純堿（NaCO3）作為實驗渣的主要熔劑，并配加固定量的熔劑無水硼砂（Na2B4O7），以合理調(diào)節(jié)保護渣的黏度和熔點，避免熔化過程中出現(xiàn)分熔現(xiàn)象［3－4］。工業(yè)礦物原料的化學(xué)成分見表1。

表1 配渣原料的化學(xué)成分

為了系統(tǒng)研究保護渣的礦物組成及含量變化對其熔點、粘度以及熱流的影響規(guī)律，參考保護渣實際生產(chǎn)中各原料的應(yīng)用范圍，以及已知的硅酸鹽相平衡狀態(tài)圖，建立實驗渣系如表2所示。

表2 實驗研究渣系的配比方案

1.2 實驗裝置

本實驗采用RDS－04全自動爐渣熔點熔速測定儀測定保護渣熔化溫度，采用HF－201型結(jié)晶器渣膜熱流模擬和黏度測試儀，測試實驗渣的黏度（1300℃），通過微機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄粘度數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 保護渣熔點－礦物組分變化曲線

保護渣是一種混合物，沒有固定的熔點，一般利用半球點法測定保護渣柱熔化達到半球形狀時的溫度作為保護渣的熔點［5］。對于保護渣來說選擇合適的熔化溫度是非常重要的，對鑄坯表面質(zhì)量和連鑄工藝都有很大的影響。

如圖1所示，在本實驗條件下，在一定的范圍內(nèi)，保護渣的熔化溫度隨螢石含量、純堿含量的增加而降低；相反，熔化溫度隨石英砂含量的增加而增加；而熔點和硅灰石含量之間的關(guān)系較為復(fù)雜，在硅灰石含量小于15%時，熔化溫度隨硅灰石含量增加而增加，硅灰石含量大于15%時，熔化溫度隨硅灰石含量增加而降低。

通過對圖1中（a）曲線分析可知，保護渣熔化溫度隨石英砂含量的增加而增加，這是因為石英砂的成分主要為SiO2，因為熔渣中SiO2含量增加，保護渣堿度降低，使得熔渣中O2－含量降低以至于Si－O四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更堅固以致使熔化溫度增大。由圖1中（b）曲線可知保護渣熔點隨硅灰石含量增大先增大后降低，在硅灰石含量達15%時，熔點最高為1080℃；螢石能夠降低保護渣的熔點是因為螢石主要成分為CaF2，CaF2屬于網(wǎng)絡(luò)外體氧化物，能破壞硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而起到降低熔化溫度的作用；隨著純堿含量的增加，連鑄保護渣的熔化溫度逐漸降低，這是因為純堿的成分99%都Na2CO3，而連鑄保護渣的熔化溫度隨著Na2CO3含量的增加逐漸降低。因此，通過調(diào)整保護渣中純堿的含量能夠明顯的改變保護渣的熔點。

2.2 保護渣粘度－礦物組分變化曲線

連鑄保護渣的粘度，對結(jié)晶器內(nèi)發(fā)生的冶金行為包括液渣流入和消耗、潤滑、夾雜物吸收等產(chǎn)生重要影響［6］。因此，為了保證保護渣在澆鑄過程的良好性能，必須重視其粘度特性的研究和優(yōu)化，而保護渣的成分對粘度具有重要的影響意義。

實驗采用HF－201型結(jié)晶器渣膜熱流模擬和黏度測試儀測定保護渣的粘度，爐膛溫度恒定1300℃，分多次將預(yù)燒結(jié)好的渣料加入石墨坩堝送入爐內(nèi)，待全部熔化后用鉬桿將熔渣攪拌均勻。用已知粘度的蓖麻油來確定旋轉(zhuǎn)粘度計的儀器常數(shù)K。測試保護渣粘度時，將石墨測頭下降至距離石墨坩堝底部20mm處后旋轉(zhuǎn)石墨測頭，同時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始記錄實驗數(shù)據(jù)。

圖1 熔點與保護渣組分的關(guān)系

根據(jù)硅酸鹽熔渣的結(jié)構(gòu)理論，連鑄保護渣的粘性特征主要決定于硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)的連接程度，當(dāng)熔渣的氧硅比增大時，硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)的連接方式由骨架式、層狀、鏈狀向島狀過渡，粘度相應(yīng)減小。在實驗條件下，保護渣粘度隨石英砂、硅灰石含量的增加而增加；相反，保護渣粘度隨螢石、純堿含量的增加而降低。

通過對圖2中（a）曲線分析可知保護渣粘度隨石英砂含量的增加而增加這是因為熔渣中SiO2含量增加，保護渣堿度降低，保護渣粘度隨堿度的降低而增加；由圖2中（b）曲線可知保護渣粘度隨硅灰石含量增大而增大，在含量小于15%時，硅灰石對粘度的增大作用較小，含量大于15%時硅灰石對年度的增大趨勢變大；由圖2中（c）曲線可知保護渣粘度隨螢石含量的增加而降低，這是因為螢石的主要成分為CaF2，能引入靜電勢較小而數(shù)量較多使硅氧陰離子團解體的F－離子，另一方面，CaF2又能與高熔點氧化物CaO、MgO、Al2O3形成低熔點共晶體。提高熔渣的過熱度及均勻性，也使熔渣的粘度大幅降低。而純堿的主要成分為Na2CO3，高溫下分解為Na2O和CO2，Na2O對粘度的影響可以從兩個方面進行考慮，一方面O2－可以增大連鑄保護渣的氧硅比，另一方面，Na＋可以和硅氧四面體的一角成鍵，阻止硅氧四面體形成網(wǎng)絡(luò)鏈或使網(wǎng)絡(luò)鏈斷開。

圖2 粘度與保護渣組分的關(guān)系

3 結(jié) 論

（1）在本實驗條件下，在一定的范圍內(nèi)，保護渣的熔化溫度隨螢石含量、純堿含量的增加而降低；相反，熔化溫度隨石英砂含量的增加而增加；在硅灰石含量小于15%時，熔化溫度隨硅灰石含量增加而增加，硅灰石含量大于15%時，熔化溫度隨硅灰石含量增加而降低。

（2）在相同條件下條件下，一定范圍內(nèi)保護渣粘度隨石英砂、硅灰石含量的增加而增加；相反，保護渣粘度隨螢石、純堿含量的增加而降低。

［1］ 李殿明，邵明天，楊憲禮，等.連鑄結(jié)晶器保護渣應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

［2］ 杜恒科.寬板坯連鑄結(jié)晶器保護渣理化性能研究及應(yīng)用［D］.重慶：重慶大學(xué)，2006.

［3］ WANG Hong Ming，LI Gui Rong，LI Bo，et al.Effect of B2O3on Melting temperature of CaO－based ladle refining slag［J］.ISU Internation al，2010，17（19）：18－22.

［4］ LI Gui Rong，WANG Hong Ming，DAI Qi Xun，et al.Physical properties and regulating mechanism of fluoride－free and harmless B2O3－con taining mould flux.［J］.ISU International，2007，14（1）：25－28.

［5］ 朱立光，萬愛珍，王碩明，等.高速連鑄保護渣熔化特性的實驗研究［J］.河北理工學(xué)院學(xué)報，2000，22（1）：13－18.

［6］ 潘志勝，王謙，何生平，等.連鑄保護渣組分對粘度的影響［J］.特鋼技術(shù)，2010，16（2）：18－22.