CN111208259A - 一种连铸结晶器保护渣的渣金反应模拟试验装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连铸结晶器保护渣的渣金反应模拟试验装置，包括中频感应炉和底吹装置，中频感应炉包括石墨坩埚、炉壳、感应线圈、炉盖，炉壳设于石墨坩埚外部，感应线圈设于石墨坩埚与炉壳之间并套置于石墨坩埚上，炉盖上设有加料口，并覆盖于石墨坩埚顶部；底吹装置包括通入石墨坩埚底部的底枪、保护气体气源，底枪通过保护气体吹管外接至保护气体气源。本发明还公开了一种模拟试验方法，能够提供动态下的渣金反应，并且可以通过切换底吹N的方法，来模拟连续铸钢条件下，持续不断的TiN析出，模拟生产中的渣金反应程度，从而更准确的判断结晶器保护渣的适用与否。

Description

一种连铸结晶器保护渣的渣金反应模拟试验装置及其方法

技术领域

本发明涉及渣金反应模拟技术，更具体地是指一种连铸结晶器保护渣的渣金反应模拟试验装置及其方法，特别适用于含Al含Ti类钢种。

背景技术

在钢液连续浇铸过程中，连铸结晶器是用来凝固成型、形成初始坯壳的重要部分，也是连铸过程的“心脏”。为防止连续浇铸中，钢液面的裸露和氧化，结晶器内钢液面需要覆盖保护渣。保护渣加入结晶器后，吸收高温钢水提供的热量，迅速的在钢水液面上形成液渣层，靠近液渣层的保护渣还没有达到熔化温度时，已被烧结成过渡层，在过度层的上面是粉渣层，形成保护渣在连铸时的三层结构——液渣层、烧结层、原渣层。在连铸浇铸过程中，保护渣在结晶器内具有绝热保温、防止氧化、吸收夹杂物、润滑和改善传热等方面的功能，因此，连铸结晶器保护渣在连铸时具有重要的作用。

连铸结晶器保护渣的主要成份有CaO、SiO₂、Al₂O₃等，当钢液成份中含Al含Ti的钢种连铸时，由于结晶器保护渣和浇铸的钢液面直接接触，不可避免的会产生渣(保护渣)-金(钢液)反应，即钢中的[Al]、[Ti]等易氧化元素、钢中残余[O]和[N]等与结晶器保护渣中的基础成分SiO₂等的反应，容易生成TiN、TiN(CN)、Al₂O₃、TiO₂等高熔点化合物，在钢液面上与保护渣混合在一起，形成冷皮，形成了以下多种反应，可能会发生如下的反应：

4[Al]+3(SiO2)＝3[Si]+2(Al2O3) ①

[Ti]+(SiO2)＝(TiO2)+[Si] ②

[Ti]+2[O]＝TiO2 ③

[Ti]+[N]＝TiN ④

2[Al]+3[O]＝Al2O3 ⑤

TiO2+CaO＝CaO·TiO2 ⑥

TiN+SiO2＝TiO2+1/2N2(g)+[Si] ⑦

TiN+2/3Fe2O3＝TiO2+4/3[Fe]+1/2N2(g) ⑧

由于反应是多重进行的，高温、复杂、多变，反应后结晶器保护渣严重变性，容易形成渣条、“结鱼”等，影响浇铸中保护渣的均匀流入，凝固传热条件变差，严重影响浇铸质量，甚至还会引发漏钢等事故。

因此，在开发适应含Al含Ti钢种连铸的结晶器保护渣时，应充分考虑渣金反应对连铸可浇性的影响。但是，往往含Al含Ti钢种较多的是特殊品种，多应用在高温耐腐蚀等条件下，如耐蚀合金等品种。这些品种的合金含量高，价值量大，保护渣使用性能不合适，会直接导致报废等严重的质量问题。因此，如果未经渣-金反应试验的新型保护渣，直接在连铸生产中应用，产生较多废品损失量的可能是非常大的。因此，需要找到一种实验室模拟结晶器内钢渣反应的方法，以判断结晶器保护渣是否能合适应用。

目前，实验室一般把最多数百克的钢液熔化，上面覆盖保护渣，静止的放置一段时间，观察取样分析，来判断结晶器保护渣的适应性。但由于生产中的渣－金反应是在动态中进行的，而且，反应中有大量的钢液易氧化元素补充，如此少量的静态模拟试验，完全不能有效的模拟其反应程度，因此反应结果的真实性不能有效确定，保护渣对生产中的应用带来一定的隐患。

同时，含Al含Ti钢浇铸中，结晶器液面钢渣混合“结鱼”现象，很重要的原因是钢中形成的TiN夹杂，钢液中的N含量控制直接影响“结鱼”的严重程度。静态试验状态下，TiN上浮，后期钢中TiN减少，渣金反应程度减弱，而实际连铸状态下，钢液中的TiN夹杂物是是持续产生的，因此，要判别保护渣对TiN的“结鱼”抑制作用，要真正辨别保护渣的好坏，比较困难。

发明内容

本发明为解决上述缺陷，提供了一种针对含Al含Ti类钢种的连铸结晶器保护渣的渣金反应模拟试验装置及其模拟试验方法，能够提供动态下的渣金反应，并且可以通过切换底吹N的方法，来模拟连续铸钢条件下，持续不断的TiN析出，模拟生产中的渣金反应程度，从而更准确的判断结晶器保护渣的适用与否。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一方面，一种连铸结晶器保护渣的渣金反应模拟试验装置，包括：

中频感应炉，包括石墨坩埚、炉壳、感应线圈、炉盖，炉壳设于石墨坩埚外部，感应线圈设于石墨坩埚与炉壳之间并套置于石墨坩埚上，炉盖上设有加料口，并覆盖于石墨坩埚顶部；

底吹装置，包括通入石墨坩埚底部的底枪、保护气体气源，底枪通过保护气体吹管外接至保护气体气源。

所述的炉盖外设有保护气吹管，炉盖内设有吹气孔槽。

所述的保护气体气源包括氩气瓶和氮气瓶，保护气体吹管分接至氩气瓶和氮气瓶，并能够自由切换。

所述的感应线圈还外接有中频电源，中频电源接有水冷装置。

另一方面，一种连铸结晶器保护渣的渣金反应模拟试验方法，包括以下步骤：

A.根据冶炼钢水质量将钢块分批加入石墨坩埚，通电熔化钢块，顶盖和底枪喷吹氩气，开启中频感应炉加大功率使钢块迅速融化；

B.待钢水熔清后，用样勺从加料口取原始钢样，取样测温完成后，通电加入铝粉进行脱氧，完成过后再取样、测温；加入保护渣30～50kg，调整钢水温度至浇铸温度，保温30min；

C.按照铝、钛全部烧损计算，向炉内加入钛铁和铝，调整钢液成分至所试验合金钢中含Al含T的i成分，待加入金属材料熔清后保温15min，每隔5min取样测温一次；

D.将底吹氩气切换为氮气，保温15min，每隔5min取样测温一次，保温过程中观察钢液表面是否有氮化钛结鱼生成：若有氮化钛结鱼生成，记录结鱼生成时间，取样；若无氮化钛结鱼生成，向炉内加入氮化钛结鱼，观察结鱼是否融化；

E.将底吹氮气切换为氩气，保温15min，每隔5min取一次钢样；

F.试验结束，倾倒保护渣，钢水倒入钢锭模内浇铸成钢锭。

采用本发明的连铸结晶器保护渣的渣金反应模拟试验装置及其模拟试验方法，具有以下几个优点：

1、能够有效模拟动态下保护渣和钢液间在结晶器内的渣金反应，减少现场试验损失；

2、试验能够模拟数百公斤的钢渣反应，大型的试验条件更能代表现场的生产条件；

3、工艺适用性广：适合于一般含Al含Ti类钢种的结晶器保护渣设计的判定。

附图说明

图1是本发明的模拟试验装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

本发明的连铸结晶器保护渣的渣金反应模拟试验装置，如图1所示，包括：

中频感应炉，用以实施结晶器保护渣和钢液的充分表面接触试验，所选的钢水容量100kg～300kg，优选200kg。其包括石墨坩埚3、炉壳14、感应线圈2、炉盖5，炉壳14设于石墨坩埚3外部，感应线圈2设于石墨坩埚3与炉壳14之间并套置于石墨坩埚3上，炉盖5上设有加料口7，并覆盖于石墨坩埚3顶部，加料口7供加料、测温和取样；

底吹装置，包括通入石墨坩埚3底部的底枪1、保护气体气源，底枪1通过保护气体吹管15外接至保护气体气源，底枪1的孔径为20～60mm，优选40mm。其原理为：通过底部吹气，引导钢液上下流动，形成内部动态循环，增加钢液表面和上覆结晶器保护渣的接触反应，模拟结晶器内钢液流动的条件。图1中8与9分别是设于保护气体吹管15上的流量计与压力表。

其中，所述的炉盖5外设有保护气吹管，炉盖5内设有吹气孔槽，用于向炉内吹Ar气，以在炉内形成保护气氛。

所述的保护气体气源可包括氩气瓶10和氮气瓶11，保护气体吹管15分接至氩气瓶10和氮气瓶11，并且两种气体能够自由切换，从而可以在试验过程中，针对特殊含Al含Ti品种，采用底吹N的形式，可以在试验过程中，保持钢中[N]含量，使其与钢中Ti反应，保持持续的TiN形成，来平衡渣金反应的程度，以更准确的判定结晶器保护渣的优劣。而采用低吹Ar气用于形成保护气氛，并形成钢液的强制流动；特殊时段，底部气体切换吹氮气用来增加钢液中的[N]含量，用以控制含Al含Ti钢中，形成TiN的趋势。

所述的感应线圈2还外接有中频电源12，中频电源12接有水冷装置13，用于供电和冷却。

本发明的连铸结晶器保护渣的渣金反应模拟试验方法，包括以下步骤：

A.根据冶炼钢水质量将钢块分批加入石墨坩埚3，通电熔化钢块，顶盖和底枪1喷吹氩气，开启中频感应炉加大功率使钢块迅速融化；

B.待钢水熔清后，用样勺从加料口7取原始钢样，取样测温完成后，通电加入铝粉进行脱氧，完成过后再取样、测温；加入保护渣30～50kg，调整钢水温度至浇铸温度，保温30min；

C.按照铝、钛全部烧损计算，向炉内加入钛铁和铝，调整钢液成分至所试验合金钢中含Al含T的i成分，待加入金属材料熔清后保温15min，每隔5min取样测温一次；

D.将底吹氩气切换为氮气，保温15min，每隔5min取样测温一次，保温过程中观察钢液表面是否有氮化钛结鱼生成：若有氮化钛结鱼生成，记录结鱼生成时间，取样；若无氮化钛结鱼生成，向炉内加入氮化钛结鱼，观察结鱼是否融化；

E.将底吹氮气切换为氩气，保温15min，每隔5min取一次钢样；

F.试验结束，倾倒保护渣，钢水倒入钢锭模内浇铸成钢锭。

实施例1

中频感应炉布置如附图1，使用底部开孔的石墨坩埚3，钢水容量150kg；安装底枪1，所选的底枪1孔径30mm，并连通Ar气或氮气，氩气氮气可自由切换；坩埚上口覆盖炉顶盖板，盖板外界保护气体吹管15，通过内设吹气孔槽，向炉内吹入Ar气，在炉内形成保护气氛；

根据冶炼钢水质量将适度大小钢块分批加入石墨坩埚3。通电熔化钢块，顶盖和底枪1喷吹氩气，开启感应炉加大功率使钢块迅速融化；

待钢水熔清后，用样勺取原始钢样。取样测温完成后，通电加入铝粉进行脱氧。完成过后取样、测温。加入保护渣30kg，调整钢水温度至浇铸温度，保温30min；

按照铝、钛全部烧损计算，向感应炉加入钛铁和铝，调整钢液成分至所试验合金钢中含Al含Ti成分，待加入金属材料熔清后保温15min，每隔5min取样测温一次；

将底吹氩气切换为氮气，保温15min，每隔5min取样测温一次。保温过程中观察钢液表面是否有氮化钛结鱼生成。如有氮化钛结鱼生成，记录结鱼生成时间，取样。如无氮化钛结鱼生成，向炉内加入氮化钛结鱼，观察结鱼是否融化；

记录数据，待试验结束，倾倒保护渣，钢水倒入钢锭模内浇铸成钢锭。

实施例2

中频感应炉布置如附图1，使用底部开孔的石墨坩埚3，钢水容量200kg；安装底枪1，所选的底枪1孔径40mm，并连通Ar气或氮气，氩气氮气可自由切换；坩埚上口覆盖炉顶盖板，盖板外界保护气体吹管15，通过内设吹气孔槽，向炉内吹入Ar气，在炉内形成保护气氛；

根据冶炼钢水质量将适度大小钢块分批加入坩埚。通电熔化钢块，顶盖和底枪1喷吹氩气，开启感应炉加大功率使钢块迅速融化；

待钢水熔清后，用样勺取原始钢样。取样测温完成后，通电加入铝粉进行脱氧。完成过后取样、测温。加入保护渣45kg，调整钢水温度至浇铸温度，保温30min；

按照铝、钛全部烧损计算，向感应炉加入钛铁和铝，调整钢液成分至所试验合金钢中含Al含Ti成分，待加入金属材料熔清后保温15min，每隔5min取样测温一次；

将底吹氩气切换为氮气，保温15min，每隔5min取样测温一次。保温过程中观察钢液表面是否有氮化钛结鱼生成。如有氮化钛结鱼生成，记录结鱼生成时间，取样。如无氮化钛结鱼生成，向炉内加入氮化钛结鱼，观察结鱼是否融化；

记录数据，待试验结束，倾倒保护渣，钢水倒入钢锭模内浇铸成钢锭。

实施例3

中频感应炉布置如附图1，使用底部开孔的石墨坩埚3，钢水容量300kg；安装底枪1，所选的底枪1孔径60mm，并连通Ar气或氮气，氩气氮气可自由切换；坩埚上口覆盖炉顶盖板，盖板外界保护气体吹管15，通过内设吹气孔槽，向炉内吹入Ar气，在炉内形成保护气氛；

根据冶炼钢水质量将适度大小钢块分批加入坩埚。通电熔化钢块，顶盖和底枪1喷吹氩气，开启感应炉加大功率使钢块迅速融化；

待钢水熔清后，用样勺取原始钢样。取样测温完成后，通电加入铝粉进行脱氧。完成过后取样、测温。加入保护渣60kg，调整钢水温度至浇铸温度，保温30min；

按照铝、钛全部烧损计算，向感应炉加入钛铁和铝，调整钢液成分至所试验合金钢中含Al含Ti成分，待加入金属材料熔清后保温15min，每隔5min取样测温一次；

将底吹氩气切换为氮气，保温15min，每隔5min取样测温一次。保温过程中观察钢液表面是否有氮化钛结鱼生成。如有氮化钛结鱼生成，记录结鱼生成时间，取样。如无氮化钛结鱼生成，向炉内加入氮化钛结鱼，观察结鱼是否融化；

记录数据，待试验结束，倾倒保护渣，钢水倒入钢锭模内浇铸成钢锭。

表1各实施例的数据对比

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (5)

1.一种连铸结晶器保护渣的渣金反应模拟试验装置，其特征在于，包括：

中频感应炉，包括石墨坩埚、炉壳、感应线圈、炉盖，炉壳设于石墨坩埚外部，感应线圈设于石墨坩埚与炉壳之间并套置于石墨坩埚上，炉盖上设有加料口，并覆盖于石墨坩埚顶部；

底吹装置，包括通入石墨坩埚底部的底枪、保护气体气源，底枪通过保护气体吹管外接至保护气体气源。

2.如权利要求1所述的连铸结晶器保护渣的渣金反应模拟试验装置，其特征在于：所述的炉盖外设有保护气吹管，炉盖内设有吹气孔槽。

3.如权利要求1所述的连铸结晶器保护渣的渣金反应模拟试验装置，其特征在于：所述的保护气体气源包括氩气瓶和氮气瓶，保护气体吹管分接至氩气瓶和氮气瓶，并能够自由切换。

4.如权利要求1所述的连铸结晶器保护渣的渣金反应模拟试验装置，其特征在于：所述的感应线圈还外接有中频电源，中频电源接有水冷装置。

5.如权利要求1所述的连铸结晶器保护渣的渣金反应模拟试验装置的模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.根据冶炼钢水质量将钢块分批加入石墨坩埚，通电熔化钢块，顶盖和底枪喷吹氩气，开启中频感应炉加大功率使钢块迅速融化；

B.待钢水熔清后，用样勺从加料口取原始钢样，取样测温完成后，通电加入铝粉进行脱氧，完成过后再取样、测温；加入保护渣30～50kg，调整钢水温度至浇铸温度，保温30min；

C.按照铝、钛全部烧损计算，向炉内加入钛铁和铝，调整钢液成分至所试验合金钢中含Al含T的i成分，待加入金属材料熔清后保温15min，每隔5min取样测温一次；

D.将底吹氩气切换为氮气，保温15min，每隔5min取样测温一次，保温过程中观察钢液表面是否有氮化钛结鱼生成：若有氮化钛结鱼生成，记录结鱼生成时间，取样；若无氮化钛结鱼生成，向炉内加入氮化钛结鱼，观察结鱼是否融化；

E.将底吹氮气切换为氩气，保温15min，每隔5min取一次钢样；

F.试验结束，倾倒保护渣，钢水倒入钢锭模内浇铸成钢锭。

Images