钢水中间包覆盖剂MgO含量对吸附能力的影响研究

2019-04-04赵显久周月明张捷宇

冶金与材料 2019年1期

赵显久，周月明，张捷宇

（1.宝山钢铁股份有限公司中央研究院，上海 201900；2.上海大学，上海 200072）

在连铸生产过程中，钢水表面覆盖剂主要起绝热保温，防止钢液面结壳，隔绝空气防止二次氧化以及吸附上浮到钢液面的夹杂物的作用。覆盖剂的使用种类，主要有四种类型，分别为从酸性碳化稻壳、中性Al2O3-SiO2型覆盖剂、较高CaO含量的碱性覆盖剂，以及下层高碱性覆盖剂上层碳化稻壳的双层覆盖剂。目前常见的连铸中间包覆盖剂的成分以高碱度的CaO、Al2O3、SiO2三元相为主，起到绝热保温、防止氧化，吸附一定数量的的钢水中的夹杂物。其中，一定含量的SiO2，可以有效降低渣相熔点，提高覆盖剂的流动性，发挥覆盖和保护性能。有关研究表明，提高覆盖剂的碱度（CaO与SiO2的比值，R>4），可以有效改善覆盖剂吸附能力，而且可以降低氧化性渣FeO和MnO的活度。有关文献认为既可以达到比较好的吸附作用，而且能够减少对中间包衬得侵蚀，MgO的含量应该在15%~25%。

在宝钢某厂生产过程中，经常出现中间包融损问题，严重的侵蚀甚至达到了工作砖的层面，这不但造成了钢水纯净度的降低，也给中间包的使用安全带来了极大的隐患。为此，文章以CaO、Al2O3、SiO2三元相为基本组元，改变MgO含量，讨论MgO含量变化后的中间包覆盖剂吸附钢水中中间夹杂物特性，这不仅对研究提高钢水纯净度，而且对确保中间包的安全使用均有着重要作用。

1 试验方法

为了避免对中间包的侵蚀，覆盖剂中MgO的含量在12%~15%；同时，为提高对钢水中Al2O3夹杂物的吸附作用，使钢水中的氧化铝与覆盖剂中的氧化钙转变为铝酸钙，应适当提高覆盖剂中CaO的含量。以两种不同组分的覆盖剂为研究对象，试验时主要考察覆盖剂使用后钢水中不溶铝的量的变化。在钢水中，全铝是酸溶铝和不溶铝的总和。酸铝是成分铝，全铝和酸铝的差值为不溶铝。利用钢水中不溶铝的变化判定覆盖剂吸附能力的大小。覆盖剂试验时，一般中间包使用7炉，每炉连浇结束时，在中间包覆盖剂位置取样进行XRD能谱结构检测。试验覆盖剂成分如表1所示，其中编号0#为常规使用的覆盖剂成分，编号1#为改进后的覆盖剂成分。

表1 试验覆盖剂成分

2 结果与讨论

2.1 试验结果

一般而言，钢水在转炉冶炼过程中钢包渣的氧势较高，较高氧势的炉渣对钢水成分会造成污染，而且会加速中间包涂层融损。但是使用大包滑板挡渣，可以在一定程度上控制大包下渣量。中间包覆盖剂在投入到中间包后，由三部分组成：一是夹杂物充分上浮，二是覆盖剂吸附能力良好，三是覆盖剂能够起到隔绝空气防止钢水氧化产生新的夹杂物。有关文献，针对覆盖剂的吸附夹杂物的能力，以覆盖剂本身成分为研究对象，对比前后的覆盖剂的成分变化，这种方案有两种弊端：其一，覆盖剂在于钢水接触的位置区域是液态的，再往上是烧结态，再往上是粉状的。所以取样过程中，即使进行辨别，但取样过程中，仍然不能避免取样有较大误差。其二，单纯从覆盖剂中氧化铝了量来定义吸附能力有欠缺。钢水中氧化铝的多少，以及中间包内的流场行为密切相关。所以对于中间包覆盖剂的吸附能力，应该选择一个比较稳妥的办法了进行评定。

为了表征中间包覆盖剂吸附能力以及覆盖剂的防氧化能力，可以利用公式（1）夹杂物上浮效率来大致判断。上浮效率的计算公式为：

其中，上浮效率单位为%，连铸不溶铝含量C不溶铝（连铸）为中间包中钢水成分中全铝与酸铝的差值，精炼不溶铝含量C不溶铝（精炼）为大包钢水成分中全铝与酸铝的差值。图1为试验得到的中间包覆盖剂吸附能力的结果，编号0#为常规使用的覆盖剂，编号1#为改进后的覆盖剂，横坐标为中间包连浇炉数，纵坐标为夹杂物上浮效率。从图1可以看出，经过改进后的覆盖剂，氧化铝的上浮效率在前三炉有着较为显著的改善，但在浇铸后期（第4炉~第7炉）覆盖剂的吸附能力有所下降。

图1 不同覆盖剂吸附能力变化趋势图

2.2 分析与讨论

目前连铸中间包使用的是超低碳低碱度的常规覆盖剂，其成分如表1中0#覆盖剂所示，改进覆盖剂成分如表1中1#覆盖剂所示。两种覆盖剂在使用后取样的外观相貌就有明显区别，如图2所示。从图2a可以看出，常规覆盖剂呈黑色玻璃体，成分有不融特征的分层出现。从图2b可以看出，改进覆盖剂的融化均匀性较好，呈现米黄色。

图2 不同覆盖剂取样图

在原覆盖剂中，为了防止对中间包氧化镁涂层的侵蚀，将覆盖剂的MgO含量定在20%左右，但正是由于MgO含量较高，覆盖剂的熔覆特性变差，呈现了融合分层现象。经过X射线结构衍射（XRD）分析，发现原覆盖剂的主要矿相为6种成分，如图3所示，分别为钙铝石、方镁石、生石灰、钙钛氧化物、二氧化硅和六方硅钙石。而且，钙铝酸盐的比例达到了58.3%，方镁石的比例为33.3%，生石灰的比例为1.5%。从图3可以看出，使用后的原覆盖剂呈现多种矿相交织，且保持着本身钙铝酸盐的特性。此种覆盖剂的融化特性、铺展性不能有效满足对液态钢水防氧化及夹杂物吸附要求。

图3 原覆盖剂XRD图谱

图4 改进覆盖剂的XRD图谱

改进后的覆盖剂的XRD图谱分析结果如图4所示，从图4中可以看出，衍射峰主要为钙铝酸盐，部分方镁石、生石灰，其余矿相为钙钛氧化物，六方硅钙石，碳酸钙镁石以及镁铝榴石等。根据对衍射峰进行的计算结果，钙铝酸盐含量为71.6%，方镁石含量17.9%。从这两相可以看出，经过改进的覆盖剂，能够有效吸附了钢水中的氧化铝，较改进前58.3%的钙铝酸盐含量有着明显的提升，而方镁石含量得以显著的下降，从原来的33.3%减小到17.9%。另外生成的矿相中，有镁铝榴石成分的存在说明在这个成分下，覆盖剂中的氧化镁与钢水中的氧化铝存在一定程度的反应，这也证明在此成分下的覆盖剂能够一定程度上促进氧化铝夹杂物的吸附。XRD图谱中未发现有氧化硅存在，而是生成了六方硅钙石，说明该成份下覆盖剂成分均匀性也比较好。

浇铸后期覆盖剂吸附能力衰退，可能和覆盖剂吸附能力的“饱和”有关，这也说明改进的中间包覆盖剂在实际使用时可以采取“小量频加”方式为宜，以充分发挥改进覆盖剂最佳的吸收钢水夹杂效果。