CN117620107A - 一种超高铝钢用高反应性连铸保护渣及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高铝钢用高反应性连铸保护渣及其制备工艺，属于保护渣技术领域。本发明所述的保护渣的质量百分比如下：CaO：40％～60％，SiO2：12％～30％，Al2O3：0～2％，BaO：0％～9％，F‑：13.5％～19.5％，Li2O：4％～8％，MgO≤2％，Fe2O3≤1％，TC：3％～12％，1.3≤(CaO/SiO2)≤5，其余为杂质。本发明旨在提供一种适用于超高铝钢([Al]＝10wt％～15wt％)钢种宽厚板坯用高反应性连铸结晶器保护渣，即该保护渣需从连铸开始到连铸结束都具有良好的润滑和控制传热特性，且在钢渣反应过程中保护渣依然具有良好的润滑和控制传热特性，进而保证超高铝钢种宽厚板钢连铸顺行和铸坯表面质量良好。
Description
技术领域
本发明涉及保护渣技术领域，更具体地说，涉及一种超高铝钢用高反应性连铸保护渣及其制备工艺。
背景技术
超高铝钢中铝含量≥10wt％，钢中[Al]元素容易与保护渣中的(SiO2)、(Na2O)、(B2O3)和(Fe2O3)等组元发生反应，如(SiO2)与[Al]之间的钢渣反应，具体反应为：3/4(SiO2)+[Al]＝3/4[Si]+1/2(Al2O3)，但当钢中[Al]含量过高时将与渣中的(Li2O)发生反应，反应方程如：3/2(Li2O)+[Al]＝3[Li]+1/2(Al2O3)，钢渣反应将引起熔渣中SiO2和Li2O含量的降低，Al2O3含量增加，连铸结晶器保护渣黏度、熔点和转折温度等物化性能发生大幅度变化，尤其是传热和润滑的恶化，将影响连铸的顺行，造成铸坯表面出现裂纹和凹陷等缺陷。本发明涉及对一种超高铝钢宽厚板用高反应性连铸结晶器保护渣，其中超高铝钢中[Al]含量范围为10～15wt％，设计的一种高反应性渣系并减少反应性组元，意在使得钢渣反应过程消耗掉一定含量SiO2和Li2O后保护渣结构性能稳定，依然具有良好的控制传热和润滑性能，以保证铸坯表面质量稳定。
中国专利202310309071.9报道了一种高铝碳钢(Al＝0.2～2.0wt％)用保护渣，碱度为1.2-1.5，结合调整保护渣成分、渣耗和浸入式水口深度等方式来控制保护渣的稳定性，但该保护渣不适用于超高铝钢。
中国专利202211725694.6报道了一种碱度0.55～0.70的保护渣，有效减少了高铝钢连铸中渣条肥大的问题，但该保护渣仅适用于Al含量在3.5～5％的钢种。
中国专利202111043811.6公开“一种中碳高铝钢的方坯连铸生产方法”中采用碱度0.3～0.5的保护渣，连铸过程中钢种Al含量为0.5～1.2％不适用与超高铝钢。
中国专利201811306972.8公开“一种高铝钢板坯连铸方法”采用碱度为1.1～1.3的高反应保护渣和碱度为1.4～1.8的反应性保护渣，但其针对的板坯高铝钢中铝含量为0.3～3.0％。
中国专利201610054349.2公开了“一种高锰高铝钢连铸用结晶器保护渣及其制备方法”，该渣以CaO-Al2O3系为主辅以一定量的SiO2、BaO和Li2O，以降低反应性保证润滑和传热的思路来浇铸高锰高铝钢。
中国专利201410509365.7公开了一种用于高锰高铝钢的连铸保护渣及其制备方法，但该渣中含有多种反应性组元，如SiO2、Li2O和B2O3等，在浇铸超高铝钢时熔渣性能将急剧恶化，影响连铸顺行。
部分冶金学者采用低反应性连铸保护渣浇注高铝钢，但该类保护渣生产难度大，成本高，如中国专利200710042540.6、201110381293.9、201210253311.X、202211101278.9公开了低SiO2含量的保护渣，其中依然含有较高含量的Na2O、Li2O和B2O3仍会发生钢渣反应，存在卷渣风险，弯月面时有渣条出现，并伴随发生粘结报警，影响连铸顺行，且专利201110381293.9和202211101278.9中主要针对的是钢中[Al]＝0.5％～3.5％和[Al]＝0.2％～0.5％的高铝钢钢种。
中国专利201710518289.X报道了一种高铝钢用无氟保护渣，通过硼硅酸钙晶体来控制传热。
中国专利201810027671.5公开了“一种高铝钢用非反应性保护渣”，采用了CaO-Al2O3渣系，不含反应性组分(如SiO2、Na2O、B2O3等)，保护渣中Li2O含量为2wt％～10wt％，该类保护渣生产成本较高。
中国专利201910965978.4报道了“一种新型高铝钢保护渣及其应用”采用Na3AlF6-Al2O3渣系，但Fe2O3等组分的存在也会发生钢渣反应影响保护渣的性能和铸坯表面质量，该渣主要针对高铝钢中铝含量为0.5～3.5％。
中国专利202111345920.3和202111329276.0分别公开了“一种无氟高铝钢连铸结晶器非反应性保护渣”和“一种超高铝钢用无氟环保型连铸保护渣”，分别适用钢中Al含量为0.3～12％和3～7.5％，保护渣设计特点为渣中未添加助熔剂CaF2，但该渣中依然有B2O3、Na2O和Li2O反应性组分依然存在钢渣反应，熔渣性能不能满足进一步生产，同时过高的Li2O含量将增加生产成本。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
针对现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供了一种超高铝钢用高反应性连铸保护渣及其制备工艺，本发明旨在提供一种适用于超高铝钢([Al]＝10wt％～15wt％)钢种宽厚板坯用高反应性连铸结晶器保护渣，即该保护渣需从连铸开始到连铸结束都具有良好的润滑和控制传热特性，且在钢渣反应过程中保护渣依然具有良好的润滑和控制传热特性，进而保证超高铝钢种宽厚板钢连铸顺行和铸坯表面质量良好。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种超高铝钢用高反应性连铸保护渣，所述的保护渣的质量百分比如下：CaO：40％～60％，SiO2：12％～30％，Al2O3：0～2％，BaO：0％～9％，F-：13.5％～19.5％，Li2O：4％～8％，MgO≤2％，Fe2O3≤1％，TC：3％～12％，1.3≤(CaO/SiO2)≤5，其余为杂质。
进一步地，所述的保护渣化学成分及质量百分比如下：CaO/SiO2＝2.11，CaO：51.59％，SiO2：24.4％，Al2O3：1.88％，BaO：0％，Li2O：5.63％，F-：14.63％，MgO+Fe2O3＝1.87％，其余为杂质。
进一步地，所述的保护渣化学成分及质量百分比如下：CaO/SiO2＝2.39，CaO：52.21％，SiO2：21.82％，Al2O3：1.82％，BaO：1.82％，Li2O：5.46％，F-：15.06％，MgO+Fe2O3＝1.81％，其余为杂质。
进一步地，所述的保护渣化学成分及质量百分比如下：CaO/SiO2＝2.14，CaO：47.62％，SiO2：22.23％，Al2O3：1.85％，BaO：5.56％，Li2O：5.56％，F-：15.34％，MgO+Fe2O3＝1.84％，其余为杂质。
进一步地，所述的高反应性连铸保护渣的冶金性能为：熔点920～1150℃，1300℃黏度为0.01～0.25Pa·s。
一种超高铝钢用高反应性连铸保护渣的制备工艺，其步骤为：
步骤一：将上述保护渣化学纯组分按照设定成分称量配制，机械搅拌混匀后，制得保护渣初始样品；
步骤二：将适量样品置入压样机内压制成块，之后将块装料添入石墨坩埚中并置于高温硅钼炉内，将硅钼炉升温至1300℃并保温30min，确保熔渣熔化均匀；
步骤三：对连铸结晶器保护渣的1300℃下的定温黏度、黏温曲线和熔化温度进行测定。
进一步地，所述的保护渣样品在入炉前进行压块制样操作，有效减少在升温过程中熔渣喷溅造的成分波动，确保熔渣性能测试的准确性。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明的特点是：(1)与低/非反应性渣和传统渣相比，本发明所述的一种超高铝钢用高反应性连铸保护渣是一种超高反应性渣，本发明中反应性组分(仅(SiO2)和(Li2O))与超高铝钢中[Al]反应，钢渣反应过程中(SiO2)和(Li2O)含量减少，(Al2O3)含量增加，反应过程中两性氧化物Al2O3将主要以酸性氧化物形式存在，且熔渣黏度稳定在较低范围内(低于0.25Pa·s)，保护渣反应过程中传热和润滑性能将维持在有效使用范围内，保证铸坯顺行。
(2)因Ba2+较Ca2+静电势低，能更好的聚集静电势弱的AlO2-，形成弱离子对，因此适量的BaO的加入将增加Al2O3夹杂的吸收能力，但过高的BaO将促进钢渣反应过程中CaO-Al2O3系渣的析晶。为稳定保护渣的冶金性能提高铸坯表面质量，确保连铸的顺行，本发明将BaO控制在较低含量范围，同时添加适量Li2O和F-以协调保护渣的冶金性能。
(3)本发明保护渣属超高铝钢用高反应性连铸结晶器保护渣，碱性氧化物有CaO和BaO，酸性氧化物SiO2和初始含量较低的两性氧化物Al2O3，以及助熔剂Li2O和F-，析晶率＞90％，适用于超高铝钢。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，其中各实施例的杂质中MgO≤2％和Fe2O3≤1％：
实施例1
本实施例的一种超高铝钢用高反应性连铸保护渣，保护渣由以下质量百分比如下：CaO/SiO2＝2.11，CaO：51.59％，SiO2：24.4％，Al2O3：1.88％，BaO：0％，Li2O：5.63％，F-：14.63％，MgO+Fe2O3＝1.87％，其余为杂质。
制备及测试方法：将上述保护渣化学纯试剂按设计成分称量，机械搅拌混匀后，然后将压制成块的样品放入石墨坩埚后置于高温硅钼炉，与1300℃下保温30分钟，确保熔渣成分均匀混合，采用相关设备对连铸结晶器保护渣的黏度和熔化温度进行测定，其中测定标准采用冶金行业标准YB/T 185-2017和YB/T 186-2014。
保护渣的主要化学成分(wt％)及冶金性能指标见表1。
实施例2
本实施例的一种超高铝钢用高反应性连铸保护渣，保护渣的质量百分比如下：CaO/SiO2＝2.39，CaO：52.21％，SiO2：21.82％，Al2O3：1.82％，BaO：1.82％，Li2O：5.46％，F-：15.06％，MgO+Fe2O3＝1.81％，其余为杂质。
制备及测试方法：将上述保护渣化学纯试剂按设计成分称量，机械搅拌混匀后，然后将压制成块的样品放入石墨坩埚后置于高温硅钼炉，与1300℃下保温30分钟，确保熔渣成分均匀混合，采用相关设备对连铸结晶器保护渣的黏度和熔化温度进行测定，其中测定标准采用冶金行业标准YB/T 185-2017和YB/T 186-2014。
保护渣的主要化学成分(wt％)及冶金性能指标见表1。
实施例3
本实施例的一种超高铝钢用高反应性连铸保护渣，保护渣的质量百分比如下：CaO/SiO2＝2.14，CaO：47.62％，SiO2：22.23％，Al2O3：1.85％，BaO：5.56％，Li2O：5.56％，F-：15.34％，MgO+Fe2O3＝1.84％，其余为杂质。
制备及测试方法：将上述保护渣化学纯试剂按设计成分称量，机械搅拌混匀后，然后将压制成块的样品放入石墨坩埚后置于高温硅钼炉，与1300℃下保温30分钟，确保熔渣成分均匀混合，采用相关设备对连铸结晶器保护渣的黏度和熔化温度进行测定，其中测定标准采用冶金行业标准YB/T 185-2017和YB/T 186-2014。
保护渣的主要化学成分(wt％)及冶金性能指标见表1。
对比例1
本对比例的一种保护渣由以下质量百分数比：三元碱度CaO/(SiO2+Al2O3)＝1.30，CaO：44.09％，SiO2：10％，Al2O3：23.91％，MgO：2％，Na2O：10％，Li2O：2％，B2O3：8％。
制备及测试方法：同实施例1。
对比例2
本对比例的一种保护渣由以下质量百分数比：Al2O3：40％，MgO：20％，B2O3：14％，CaO：3％，MnO：4％，SiO2：4％，CaF2：2％，Na2O：4％，Li2O：1％，K2O：1％，碳质材料：6％。
制备及测试方法：同实施例1。
对比例3
本对比例的一种保护渣由以下质量百分数比：CaO/Al2O3＝1.29，CaO：39.15％，Al2O3：30.28％，SiO2：7.618％，B2O3：3.75，MgO：3.24％，Na2O：11.77％，Li2O：3.45％。
制备及测试方法：同实施例1。
保护渣的主要化学成分(wt％)及冶金性能指标见表1和表2。
实施例1-3为超高铝钢用高反应性连铸结晶器保护渣，实验室钢渣实验及现场连铸实验反应，该保护渣能够满足浇注需求，测试钢渣反应后保护渣依然具有合适润滑和传热特性。
表1实施例1-3保护渣的化学成分和钢渣反应前后的性能指标
表2对比例1～3保护渣的性能指标检测结果
| 熔化温度区间/℃ | 1300℃黏度/Pa·s | 钢渣反应程度 | |
| 对比例1 | 1112～1156 | 0.14±0.05 | 较强 |
| 对比例2 | 1092～1146 | 0.258 | 较强 |
| 对比例3 | 1124～1167 | 0.28 | 较强 |
通过上述指标可以看出，实施例1-3制备的超高铝钢用连铸保护渣，各项性能指标和参数，如熔点、黏度和反应性均优于对比例1-3；实施例1-3制备的超高铝钢连铸保护渣的性能满足实际连铸生产过程工艺参数的需求，尤其是钢渣反应后依然具有合适的性能。
采用实施例2渣进行现场浇铸实验，取渣样分析结果表明，熔渣矿相由初始渣的CaF2向反应后渣的(CaO)12(Al2O3)7转变，控制传热及润滑效果良好，实现首次顺利浇注，结晶器内渣条和铸坯表面的凹陷和裂纹等问题得到显著改善。
针对现有技术存在的上述不足，本发明旨在提供一种适用于超高铝钢([Al]＝10wt％～15wt％)钢种宽厚板坯用高反应性连铸结晶器保护渣。即该保护渣需从连铸开始到连铸结束都具有良好的润滑和控制传热特性，且在钢渣反应过程中保护渣依然具有良好的润滑和控制传热特性，进而保证超高铝钢种宽厚板钢连铸顺行和铸坯表面质量良好。
具体的，本发明连铸结晶器保护渣中仅含有反应性组分(SiO2)和(Li2O)，该组分易与钢中[Al]元素反应，为保证连铸过程中钢渣反应后保护渣性能满足浇注需求，设定的超高铝钢用高反应性连铸结晶器保护渣的冶金性能如下，熔点920～1150℃，1300℃黏度为0.01～0.25Pa·s，适用于[Al]＝10wt％～15wt％的超高铝钢。
本发明的保护渣中，CaO和SiO2作为保护渣的主要成分，来源广、价格低，CaO/SiO2比增加可降低黏度。CaO可增强钢中吸收氧化物夹杂的能力，同时O2-离子的释放能降低熔渣的黏度；SiO2是网络形成体可增加熔渣的聚合度；Al2O3作为两性氧化物，在碱性渣中呈酸性，在酸性渣中呈碱性，在超高铝钢的钢渣反应过程中Al2O3含量增加，Al2O3将由酸性物变为碱性氧化物。控制CaO在40％～60％范围，控制SiO2在15％～30％范围，控制初始Al2O3在低于3％。
BaO在初始CaO-SiO2系保护渣中可以降低黏度和熔化温度，抑制析晶，提高保护渣吸收Al2O3夹杂物能力，但BaO含量过高容易增大熔化温度生成高熔点结晶矿相，同时BaO将促进反应后CaO-Al2O3系保护渣的析晶。故本发明将其控制在0％～9％范围。
F-是本发明中超高铝钢连铸用高反应性连铸保护渣的主要助熔剂，可有效调节黏度、熔点和析晶温度，为确保反应后熔渣性能，本发明将其控制在13.5％～19.5％范围。
Li2O常作为连铸保护渣中最有效的助熔剂之一，可降低熔渣熔点和黏度，在一定范围内抑制析晶，但因其价格昂贵，且在低含量时助熔效果显著(每1wt％的Li2O熔点降低30～48℃)。因此本发明将Li2O含量控制范围为4％～8％。
MgO和Fe2O3作为保护渣中不可避免带入的杂质，本发明将控制在MgO≤2％和Fe2O3≤1％。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种超高铝钢用高反应性连铸保护渣，其特征在于：所述的保护渣的质量百分比如下：CaO：40％～60％，SiO2：12％～30％，Al2O3：0～2％，BaO：0％～9％，F-：13.5％～19.5％，Li2O：4％～8％，MgO≤2％，Fe2O3≤1％，TC：3％～12％，1.3≤(CaO/SiO2)≤5，其余为杂质。
2.根据权利要求1所述的一种超高铝钢用高反应性连铸保护渣，其特征在于：所述的保护渣化学成分及质量百分比如下：CaO/SiO2＝2.11，CaO：51.59％，SiO2：24.4％，Al2O3：1.88％，BaO：0％，Li2O：5.63％，F-：14.63％，MgO+Fe2O3＝1.87％，其余为杂质。
3.根据权利要求1所述的一种超高铝钢用高反应性连铸保护渣，其特征在于：所述的保护渣化学成分及质量百分比如下：CaO/SiO2＝2.39，CaO：52.21％，SiO2：21.82％，Al2O3：1.82％，BaO：1.82％，Li2O：5.46％，F-：15.06％，MgO+Fe2O3＝1.81％，其余为杂质。
4.根据权利要求1所述的一种超高铝钢用高反应性连铸保护渣，其特征在于：所述的保护渣化学成分及质量百分比如下：CaO/SiO2＝2.14，CaO：47.62％，SiO2：22.23％，Al2O3：1.85％，BaO：5.56％，Li2O：5.56％，F-：15.34％，MgO+Fe2O3＝1.84％，其余为杂质。
5.根据权利要求1所述的一种超高铝钢用高反应性连铸保护渣，其特征在于：所述的高反应性连铸保护渣的冶金性能为：熔点920～1150℃，1300℃黏度为0.01～0.25Pa·s。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种超高铝钢用高反应性连铸保护渣的制备工艺，其特征在于：其步骤为：
步骤一：将上述保护渣化学纯组分按照设定成分称量配制，机械搅拌混匀后，制得保护渣初始样品；
步骤二：将适量样品置入压样机内压制成块，之后将块装料添入石墨坩埚中并置于高温硅钼炉内，将硅钼炉升温至1300℃并保温30min，确保熔渣熔化均匀；
步骤三：对连铸结晶器保护渣的1300℃下的定温黏度、黏温曲线和熔化温度进行测定。
7.根据权利要求6所述的一种超高铝钢用高反应性连铸保护渣的制备工艺，其特征在于：所述的保护渣样品在入炉前进行压块制样操作，有效减少在升温过程中熔渣喷溅造的成分波动，确保熔渣性能测试的准确性。
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