Zr-C质浸入式水口侵蚀机理的研究

徐其言，朱正海

(安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山243002)

Zr-C质浸入式水口侵蚀机理的研究

徐其言，朱正海

(安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山243002)

针对Zr-C质浸入式水口易侵蚀现象，选取某钢厂被侵蚀的Zr-C质水口试样，采用扫描电镜对试样的侵蚀物进行检测，并在实验室进行验证，研究Zr-C质浸入式水口的侵蚀机理。结果表明：现场Zr-C质浸入式水口的侵蚀机理是机械冲刷和化学侵蚀，以SiO2和CaO为主要成分的结晶器保护渣对Zr-C质浸入式水口的侵蚀作用较大，且有新的化合物生成，产物为Ca0.15Zr0.85O1.85。

Zr-C质浸入式水口；侵蚀机理；结晶器

结晶器作为连铸生产的关键部件，对钢水的凝固、成型以及纯净度起着决定作用[1]。因此，结晶器内水口的几何尺寸、操作参数以及水口的侵蚀对钢液的净化、凝固、铸坯表面质量有重要的影响。浸入式水口是连铸生产中易侵蚀的部件[2]，它的使用寿命决定着连浇的炉数，若其发生崩裂，则会中止浇铸或对钢水质量造成恶劣影响。国内外许多冶金学者对结晶器内钢液流动行为以及水口的侵蚀机理进行了大量的研究，发现浸入式水口的侵蚀受多方面因素的影响，主要有钢水的流动冲刷作用、流速、水口的插入深度[3-5]、水口的开口尺寸以及保护渣的组分和性能[6-7]。为此，文中针对国内某钢厂现场被侵蚀的Zr-C质水口进行研究，分析Zr-C质浸入式水口的侵蚀机理，以期进一步提高结晶器内水口的寿命和改进铸坯质量。

1 实验

1.1 实验材料

国内某钢厂现场使用的水口本体及渣线以下的成分和含量见表1。由表1可知，水口本体中Al2O3质量分数为63.75%，渣线以下水口中ZrO2质量分数为77.24%，本体和渣线以下的水口国碳的质量分数分别为22.31%和11.81%，表明该水口为铝锆碳质水口[8]的本体主要采用A l2O3-C质，渣线部位采用ZrO2-C质。保护渣成分主要有Na2O，C，F-，CaO，SiO2及其它杂质。对该水口的侵蚀部位进行取样，如图1所示。

1.2 实验方法

在水口渣线下被侵蚀层切1块侵蚀样，将其制成底部边长为4mm的矩形，高度为10mm的立体形试样。采用扫描电镜对该试样进行能谱分析，得出侵蚀水口的成分。用锉刀在侵蚀水口表层刮下一些粉末，对粉末进行研磨，作衍射分析，得出侵蚀产物化学组成。

取该水口没有侵蚀的部分，且制成底部为1 cm× 1 cm的矩形，高为5 cm的长方体试样。选取1个Al2O3坩埚，且将现场使用的保护渣放入，再将长方体试样插入坩埚中，将石墨坩埚套在A l2O3坩埚上，使用马弗炉对坩埚加热4 h后，将水口快速从坩埚中取出，放在耐火砖上冷却。用锉刀在水口和保护渣接触熔化层挫下一些粉末试样进行衍射分析，得出反应产物。

2 实验结果与分析

2.1 现场侵蚀水口侵蚀物的检测结果与分析

采用扫描电镜对现场水口侵蚀试样进行能谱分析，结果如图2。由图2可知，现场水口侵蚀层中主要含的元素为C，O，Na，Al，Zr，Ca，Mn，Fe，Mg，Si等。将能谱分析得到的TXT格式数据通过PCPDFW IN软件(JCPDS-ICDD2002)和ORIGIN处理，查找并标示谱图如图3。

侵蚀试样的XRD图见图4。查看Ca0.15Zr0.85O1.85的标准谱图[9]，结合图4可知，现场水口侵蚀试样的衍射花样在30.157°处(Ca0.15Zr0.85O1.85)有一主峰恰好和PDF卡片中物相的标准衍射花样对应，可以得出侵蚀层试样有新物质生成，化学组成为Ca0.15Zr0.85O1.85。由此表明，以SiO2和CaO为主要成分的保护渣对Zr-C质浸入式水口是化学侵蚀，产物为Ca0.15Zr0.85O1.85。

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

图1 现场被侵蚀水口试样Fig.1 Erosion water sam p les

图2 现场水口侵蚀层扫描电镜能谱分析结果Fig.2 Energy spectrum analysis resultsof field water erosion layer by scanning electronm icroscope

图3 现场水口XRD标示图Fig.3 Field water XRDm ap

图4 现场水口侵蚀层XRD图Fig.4 Nozzleerosion layer XRD diagram

但是，浸入式水口在结晶器内还受到钢液流动的机械冲刷，这种冲刷与结晶器的断面、拉速、振动等因素相关。浸入式水口在结晶器钢水流动机械冲刷作用下，不断卷入钢液中，水口渣线被侵蚀面又与新增加的保护渣中CaO发生固溶反应，此过程循环进行，造成水口渣线部位侵蚀。所以在连铸生产中结晶器保护渣对Zr-C质浸入式水口的侵蚀机理除化学侵蚀外，伴随钢液的流动还有机械冲刷侵蚀。

2.2 实验室条件下侵蚀水口的实验结果与分析

从马弗炉里将坩埚取出，再将试样迅速从坩埚中取出，进行检测，试样的XRD图如图5。由图5可知，在26°附近的峰主要是保护渣中SiO2的特征峰，查看并比照Ca0.15Zr0.85O1.85的标准谱图[9]，得出侵蚀层的主要生成产物是Ca0.15Zr0.85O1.85。在实验室条件下，因是在Al2O3坩埚中进行实验，没有钢液流动，故Zr-C质浸入式水口的侵蚀机理是化学侵蚀，这与现场水口侵蚀的化学机理一致。

图5 实验室条件下的试样XRD图Fig.5 XRD diagram of the specim en under laboratory conditions

3 结论

1)结晶器中浸入式水口在浇铸过程中受到钢液流动速度、水口倾角、水口插入深度、结晶器尺寸等因素的影响，侵蚀机理既有机械冲刷又有化学侵蚀。

2)以SiO2和CaO为主要成分的保护渣对Zr-C质浸入式水口的侵蚀作用主要是化学侵蚀，主要的侵蚀产物为Ca0.15Zr0.85O1.85。

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[3]程亮，于学斌，王羽，等.宽板坯连铸结晶器流场优化的水模拟研究[J].连铸，2007(4):1-7.

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责任编辑：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

国家自然科学基金项目(51304003)；安徽工业大学青年教师科研基金项目(QZ2013043)

徐其言(1982-)，男，江苏徐州人，助理实验师，主要研究方向为连铸理论新工艺。