CN117324608A - 一种浸入式水口抗结瘤内衬材料的优选方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种浸入式水口抗结瘤内衬材料的优选方法，属于连铸用功能耐火材料技术领域。本发明包括以下步骤：计算浸入式水口内衬材料与连铸过程中形成夹杂物的晶格失配度；计算浸入式水口内衬材料与连铸过程中形成夹杂物的固溶度；根据所述晶格失配度和所述固溶度的计算结果判断连铸过程中夹杂物附着的可能性。当内衬材料与连铸过程中形成夹杂物之间的晶格失配度大于12%且固溶度大于30%时，夹杂物不易在水口内壁成核，说明该种内衬材料有利于浸入式水口防结瘤堵塞。本发明基于理论计算提出了一种浸入式水口抗结瘤内衬材料的优选策略，将为开发高性能功能耐火材料提供科学指导。
Description
技术领域
本发明属于连铸用功能耐火材料技术领域，尤其涉及一种浸入式水口抗结瘤内衬材料的优选方法。
背景技术
钢铁是国民经济支柱性产业，连铸是钢铁生产的核心工艺，浸入式水口是连铸环节中最重要的功能耐火材料，可防止钢液在连铸过程中发生二次氧化，防止结晶器保护渣卷入钢液，改善结晶器内的钢液热流状态和流场分布状态，有利于连铸坯凝固均匀的坯壳。
在低碳铝镇静钢、含Ti钢、稀土钢以及其它合金钢等高品质钢连铸过程中，相对于水口材料抗热震性能的显著提高，浸入式水口结瘤堵塞、挂渣及渣线侵蚀已成为其在服役过程中常见的失效问题。水口结瘤行为影响钢坯质量和连铸效率，严重时导致连铸工序中断。
浸入式水口结瘤物主要是脱氧产物、凝钢以及复杂氧化物团聚体等，其中最为典型的夹杂物是Al2O3夹杂物。水口结瘤不仅与钢液中脱氧产物的组成有关，而且与钢液温度、钢液成分、浇注时间、拉速等工艺因素也有很大关系。不同条件下水口结瘤的原因也不尽相同，主要包括高熔点脱氧产物造成的结瘤、钢液温度下降促成夹杂物析出造成的结瘤、耐火材料与钢液反应产生的结瘤以及二次氧化造成的结瘤等。
水口结瘤物的形成一般包括以下四个步骤：（1）钢液与水口处耐材发生化学反应或发生氧化等，形成高熔点夹杂物；（2）夹杂物颗粒向水口壁迁移；（3）夹杂物颗粒迁移到水口壁并附着在其表面；（4）在表面张力作用下，夹杂物颗粒进一步聚集形成网络结构。夹杂物在水口表面的附着过程即为其在水口表面的成核过程，也是其在水口结瘤的关键步骤。
基于水口结瘤物的来源及形成过程，目前可以减少或降低浸入式水口结瘤和堵塞的控制措施主要包括：改善水口材质或结构、减少夹杂物或改性夹杂物、优化局部钢水流动状态和施加外场等。
其中，改善水口材质是常用的水口防结瘤堵塞措施，可以选择与钢液润湿性差、不易与夹杂物反应的材料作为水口内衬材料，以降低夹杂物在水口表面的成核。据此，研究者开发的水口内衬材料有氮化物、碳化物等非金属氧化物材料，ZrO2-CaO系，低碳(<5%)以及无碳无硅材料等，在特钢连铸时具有较好的防结瘤效果，但通用性一般，主要是由于夹杂物在水口表面的附着及形核机理研究不够深入，如何优选水口材料还需进一步探究。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
为了解决现有技术中防结瘤的水口内衬材料仍缺乏通用筛选方法的技术问题，本发明提供一种浸入式水口抗结瘤内衬材料的优选方法，为内衬材料的优选提供理论计算新思路。
本发明第一方面一种浸入式水口抗结瘤内衬材料的优选方法，包括：
计算浸入式水口内衬材料与连铸过程中形成夹杂物的晶格失配度；
计算浸入式水口内衬材料与连铸过程中形成夹杂物的固溶度；
根据所述晶格失配度和所述固溶度计算的结果判断连铸过程中夹杂物附着的可能性；
所述内衬材料与形成所述夹杂物的晶格失配度大于12%且两相离子半径差大于30%时，夹杂物不易在水口内壁附着成核，该种内衬材料有利于浸入式水口防结瘤、堵塞。所述固溶度通过两相离子半径差评价。
在一些实施方式中，所述晶格失配度计算步骤如下：
建立两相晶体结构模型，将内衬材料作为基底相，生成的夹杂物作为形核相；
根据基底相和形核相两相晶体结构模型选取两相晶面；
根据两相晶面选取两相晶向；
根据两相晶向获取两相对应晶向原子间距和两相对应晶向原子夹角；
根据两相对应晶向原子间距和所述两相对应晶向原子夹角，计算晶格失配度。
在一些实施方式中，所述两相晶向包括第一晶向、第二晶向和第三晶向：
根据两相对应晶向原子间距和所述两相对应晶向原子夹角，分别计算第一晶向、第二晶向、第三晶向晶格失配度；
根据第一晶向、第二晶向、第三晶向晶格失配度计算晶格失配度。
在一些实施方式中，所述内衬材料与连铸过程中形成夹杂物的晶格失配度是由第一晶向、第二晶向、第三晶向三种晶格失配度中最小值决定。
在一些实施方式中，所述晶格失配度计算公式如下：
式中：(hkl)s为基底相的低指数晶面，[uvw]s是(hkl)s上的低指数晶向；(hkl)n为形核相的低指数晶面，[uvw]n为(hkl)n上的低指数晶向；d[uvw]s为沿[uvw]s方向的原子间距，Å；d[uvw]n为沿[uvw]n方向的原子间距，Å；θ为[uvw]s与[uvw]n之间的夹角。
在一些实施方式中，所述晶格失配度计算结果预设阈值如下：当晶格失配度小于6%时，形核相的异质形核能力较强；当晶格失配度在6%-12%时，形核相具有异质形核能力；
当晶格失配度大于12%时，形核相的异质形核能力差。根据晶格失配度计算结果和预设阈值，判断夹杂物在浸入式水口表面生成的可能性，从而判断该种材质是否有利于浸入式水口防结瘤堵塞。
在一些实施方式中，所述固溶度计算步骤如下：确定内衬材料和形成夹杂物的离子半径，根据离子半径计算两相离子半径差。
在一些实施方式中，所述离子半径差计算公式如下：
(2)
式中， 1和/> 2分别代表半径大和半径小的内衬材料或夹杂物的离子半径，pm。
在一些实施方式中，所述固溶度计算结果预设阈值如下：当离子半径差小于15%时，内衬材料与夹杂物之间可以形成连续固溶体；当离子半径差大于15%且小于30%时，内衬材料与夹杂物之间只能形成有限型固溶体；当离子半径差大于30%时，内衬材料与夹杂物之间不易形成固溶体。
根据离子半径差计算结果和预设阈值，判断夹杂物在浸入式水口表面生成的可能性，从而判断该种材质是否有利于浸入式水口防结瘤堵塞。
根据晶格失配度和固溶度的理论计算结果，综合评价浸入式水口防结瘤堵塞效果，当晶格失配度大于12%且固溶度大于30%时，浸入式水口内衬材料具有良好的防结瘤堵塞效果。
本发明第二方面提供一种上述浸入式水口抗结瘤内衬材料的优选方法在浸入式水口抗结瘤内衬材料选择中的应用。
相比于现有技术，本发明达到的技术效果如下：
本发明创造性的提供了一种浸入式水口抗结瘤内衬材料的优选方法，与现有技术相比，方法简单，通用性、可靠性更好，基于理论计算提出了一种浸入式水口抗结瘤内衬材料的优选策略，将为开发高性能功能耐火材料提供科学指导。
附图说明
图1为实施例1中氧化锆基内衬材料XRD图；
图2为Al2O3与氧化锆的晶体学匹配关系图；
图3为氧化锆基内衬材料与Al2O3反应后的显微结构图；
图4为氧化锆基内衬材料与Al2O3反应后的EDS分析图，其中(a)为扫描区域图，(b)为Al元素EDS图，(c) 为Ca元素EDS图，(d) 为Fe元素EDS图，(e) 为Zr元素EDS图；
图5为实施例2中镁铝尖晶石基内衬材料XRD图；
图6为Al2O3与镁铝尖晶石的晶体学匹配关系图；
图7为镁铝尖晶石基内衬材料与Al2O3反应后的显微结构图；
图8为镁铝尖晶石基内衬材料与Al2O3反应后的EDS分析图，其中(a)为扫描区域图，(b)为Al元素EDS图，(c)为Fe元素EDS图，(d)为Mg元素EDS图。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例说明本发明的技术方案。应该理解，本发明提到的一个或者多个步骤不排斥在组合步骤前后还存在其他方法和步骤，或者这些明确提及的步骤间还可以插入其他方法和步骤。还应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的目的，而非限制每个方法的排列次序或限定本发明的实施范围，其相对关系的改变或调整，在无实质技术内容变更的条件下，亦可视为本发明可实施的范畴。
实施例中所采用的原料和仪器，对其来源没有特定限制，在市场购买或者按照本领域内技术人员熟知的常规方法制备即可。
水口结瘤物最为典型的是Al2O3夹杂物，下面以Al2O3夹杂物为例，分别选择氧化锆基材料、镁铝尖晶石基材料作为水口内衬材料，根据晶格失配度和固溶度理论计算结果判断Al2O3夹杂物生成的可能性，并利用实际浇铸条件研究内衬材料与Al2O3反应性，验证理论计算结果的准确性。
实施例1：氧化锆基材料
选择氧化锆基材料作为水口内衬材料，氧化锆基内衬材料的XRD图如图1所示，根据晶格失配和固溶度计算值判断Al2O3在氧化锆基水口内壁成核的可能性。
晶格失配计算步骤如下：在Al2O3的(100)、(110)和(001)晶面和氧化锆的(011)、(110)和(111)晶面上共选择了9种晶体取向，其晶面的晶体匹配关系如图2所示。采用上述晶格失配度方程计算Al2O3与氧化锆的晶格失配度，计算结果如表1所示。
表1 Al2O3与氧化锆的晶格失配度
形核相和基底相之间的晶格失配度是由三种晶格失配中最小的决定，即Al2O3与氧化锆的晶格失配为30.97%，大于12%，所以氧化锆不能作为Al2O3异质形核的核心，因此氧化锆基水口内衬材质有利于浸入式水口防结瘤堵塞。
接着根据固溶度判断夹杂物Al2O3在氧化锆基水口内衬表面成核的可能性，其中，Zr4+的离子半径为80pm，Al3+的离子半径为50pm。
根据公式，Δr==/>=37.5%
根据计算结果，因为Δr=37.5%＞30%，所以Al2O3与氧化锆不易形成固溶体，即Al2O3夹杂物不易在水口内壁成核，所以氧化锆基内衬材料有利于浸入式水口防结瘤堵塞。
根据晶格失配计算和固溶度理论计算值，氧化锆基内衬材料与生成夹杂物的晶格失配度大于12%且离子半径差（固溶度）大于30%，说明氧化锆基内衬材料有利于浸入式水口防结瘤堵塞。
接着以氧化锆作为浸入式水口内衬材料，在浇注铝镇静钢5次之后，观察Al2O3夹杂物在水口内壁的结瘤情况，显微结构如图3所示，EDS分析图如图4所示，图4中(a)为扫描区域图，(b)为Al元素EDS图，(c) 为Ca元素EDS图，(d) 为Fe元素EDS图，(e) 为Zr元素EDS图，可以发现试样表面仅有较少数量的Al2O3，结瘤物厚度仅有0.2mm，说明氧化锆基内衬材料与Al2O3不易反应，此外在氧化锆材料表面结瘤物中仅有微量的Fe存在，即钢液不易与氧化锆材料反应，因此氧化锆基内衬材料有利于防Al2O3结瘤堵塞。
实施例2：镁铝尖晶石基材料
选择镁铝尖晶石基材料作为水口内衬材料，镁铝尖晶石基内衬材料XRD图如图5所示，根据晶格失配和固溶度计算值判断Al2O3在镁铝尖晶石基水口内壁成核的可能性。
晶格失配计算步骤如下：在Al2O3的(100)、(110)和(001)晶面和尖晶石的(100)、(110)和(111)晶面上共选择了9种晶体取向，其晶面的晶体匹配关系如图6所示。采用晶格失配度方程计算Al2O3与尖晶石的晶格失配度，计算结果如表2所示。
表2 Al2O3与尖晶石的晶格失配度
形核相和基底相之间的晶格失配度是由三种晶格失配中最小的决定，即，Al2O3与尖晶石之间的晶格失配度为8.43%，小于12%，即尖晶石有利于Al2O3形核，易造成水口Al2O3结瘤严重，所以镁铝尖晶石不适合作为浸入式水口内衬材料。
接着根据固溶度判断夹杂物Al2O3在镁铝尖晶石基水口内衬表面成核的可能性，其中，Al3+的离子半径为50pm，Mg2+的离子半径为65pm。
根据公式，Δr==/>=23.1%＜30%
根据计算结果，因为Δr=23.1%＜30%，所以Al2O3与镁铝尖晶石易形成固溶体，即Al2O3易在水口内壁成核，所以镁铝尖晶石基内衬材料不利于浸入式水口防结瘤堵塞。
根据晶格失配计算和固溶度理论计算值，镁铝尖晶石基内衬材料与生成夹杂物的晶格失配度小于12%且离子半径差小于30%，说明铝尖晶石基内衬材料不利于浸入式水口防结瘤堵塞。
接着以镁铝尖晶石作为浸入式水口内衬材料，在浇注铝镇静钢5次之后，观察Al2O3夹杂物在水口内壁的结瘤情况，显微结构如图7所示， EDS分析图如图8所示，图8中(a)为扫描区域图，(b)为Al元素EDS图，(c)为Fe元素EDS图，(d)为Mg元素EDS图，在试样表面可观察到夹杂物Al2O3，结瘤厚度为0.48mm，为氧化锆基内衬材料结瘤厚度的2倍，说明镁铝尖晶石基内衬材料容易与Al2O3夹杂物发生反应，此外在尖晶石材料表面结瘤物中有较多的Fe存在，因此镁铝尖晶石基内衬材料不适合作为水口内衬材料。
实施例1、实施例2中的理论计算结果与高温模拟试验结论一致，说明可以通过晶格失配和固溶度理论计算优选出抗结瘤的浸入式水口内衬材料。
本发明不仅适用于判断氧化锆基材料、镁铝尖晶石基材料作为水口内衬材料是否有利于浸入式水口防结瘤堵塞，还适用于判断刚玉基、莫来石基等其他水口内衬材料是否有利于浸入式水口防结瘤堵塞。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (10)
1.一种浸入式水口抗结瘤内衬材料的优选方法，其特征在于，包括：
计算浸入式水口内衬材料与连铸过程中形成夹杂物的晶格失配度；
计算浸入式水口内衬材料与连铸过程中形成夹杂物的固溶度；
根据所述晶格失配度和所述固溶度的计算结果判断连铸过程中夹杂物附着的可能性；
当所述内衬材料与所述夹杂物的晶格失配度大于12%且固溶度大于30%时，判断所述内衬材料有利于浸入式水口防结瘤、堵塞。
2.根据权利要求1所述的浸入式水口抗结瘤内衬材料的优选方法，其特征在于，所述晶格失配度计算步骤如下：
建立两相晶体结构模型，将内衬材料作为基底相，生成的夹杂物作为形核相；
根据基底相和形核相两相晶体结构模型选取两相晶面；
根据两相晶面选取两相晶向；
根据两相晶向获取两相对应晶向原子间距和两相对应晶向原子夹角；
根据两相对应晶向原子间距和所述两相对应晶向原子夹角，计算晶格失配度。
3.根据权利要求2所述的浸入式水口抗结瘤内衬材料的优选方法，其特征在于，所述两相晶向分别包括第一晶向、第二晶向和第三晶向：
根据两相对应晶向原子间距和所述两相对应晶向原子夹角，分别计算第一晶向、第二晶向、第三晶向晶格失配度；
根据第一晶向、第二晶向、第三晶向晶格失配度计算晶格失配度。
4.根据权利要求3所述的浸入式水口抗结瘤内衬材料的优选方法，其特征在于，所述内衬材料与连铸过程中形成夹杂物的晶格失配度是由第一晶向、第二晶向、第三晶向三种晶格失配度中最小值决定。
5.根据权利要求2所述的浸入式水口抗结瘤内衬材料的优选方法，其特征在于，所述晶格失配度计算公式如下：
式中：(hkl)s为基底相的低指数晶面，[uvw]s是(hkl)s上的低指数晶向；(hkl)n为形核相的低指数晶面，[uvw]n为(hkl)n上的低指数晶向；d[uvw]s为沿[uvw]s方向的原子间距，Å；d[uvw]n为沿[uvw]n方向的原子间距，Å；θ为[uvw]s与[uvw]n之间的夹角。
6.根据权利要求5所述的浸入式水口抗结瘤内衬材料的优选方法，其特征在于，所述晶格失配度计算结果预设阈值如下：当晶格失配度小于6%时，形核相的异质形核能力较强；当晶格失配度在6%-12%时，形核相具有异质形核能力；当晶格失配度大于12%时，形核相的异质形核能力差。
7.根据权利要求1所述的浸入式水口抗结瘤内衬材料的优选方法，其特征在于，所述固溶度计算步骤如下：确定内衬材料和形成夹杂物两相的离子半径，根据离子半径计算两相离子半径差。
8.根据权利要求7所述的浸入式水口抗结瘤内衬材料的优选方法，其特征在于，所述离子半径差计算公式如下：
(2)
式中， 1和/> 2分别代表半径大和半径小的内衬材料或夹杂物的离子半径，pm。
9.根据权利要求7所述的浸入式水口抗结瘤内衬材料的优选方法，其特征在于，所述固溶度计算结果预设阈值如下：当离子半径差小于15%时，内衬材料与夹杂物之间可以形成连续固溶体；当离子半径差大于15%且小于30%时，内衬材料与夹杂物之间只能形成有限型固溶体；当离子半径差大于30%时，内衬材料与夹杂物之间不易形成固溶体。
10.根据权利要求1-9任一项所述的浸入式水口抗结瘤内衬材料的优选方法在浸入式水口抗结瘤内衬材料选择中的应用。
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