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連鑄結(jié)晶器內(nèi)渣鋼兩相表面張力和界面張力的演變行為與機制

來源:東北大學 高薔 瀏覽 686 次 發(fā)布時間:2024-11-04

隨著連鑄理論與技術(shù)的發(fā)展,連鑄坯質(zhì)量不斷提高,在實際生產(chǎn)中,連鑄坯表面與皮下缺陷仍然是制約成品質(zhì)量、成材率及企業(yè)經(jīng)濟效益的重要因素之一。這些缺陷與連鑄結(jié)晶器內(nèi)彎月面的形狀及其初始凝固行為密切相關(guān)。彎月面形狀決定于渣鋼界面張力,渣鋼界面張力決定于渣鋼兩相成分與溫度。結(jié)晶器具有強大的冷卻能力,在彎月面上必然存在一個跨越固液相線溫度的連續(xù)溫度梯度,這個溫度梯度的存在將對彎月面形狀和鋼水的溢流行為產(chǎn)生影響。


本課題聚焦于連鑄結(jié)晶器彎月面區(qū)域,考察了變溫過程渣鋼兩相表面張力和界面張力的演變行為,揭示了渣鋼表面張力的演變機制,并以此為基礎(chǔ)探討了鋼液溢流行為以及與振痕產(chǎn)生的關(guān)系,研究結(jié)果對于解析結(jié)晶器內(nèi)鋼液的初始凝固行為,指導連鑄生產(chǎn)實踐具有重要的意義。

為提高鋼液表面張力測定精度與效率,根據(jù)靜滴法表面張力測定原理,開發(fā)了利用曲線擬合方法求解液滴表面張力的計算程序。該程序包括液滴圖像數(shù)據(jù)提取,目標函數(shù)構(gòu)造、變量參數(shù)選取,數(shù)值方程建立以及求解等步驟,最終可擬合出一條理想液滴邊緣輪廓曲線,使目標函數(shù)值最小,并以此計算出表面張力。


實驗驗證結(jié)果表明,所開發(fā)的程序運行穩(wěn)定可靠,計算效率高,為后續(xù)鋼液表面張力測定打下了良好基礎(chǔ)。


利用所開發(fā)的表面張力計算程序,結(jié)合熱力學分析,考察了連續(xù)降溫過程Fe-C-S系鋼液表面張力的演變行為及其影響機制。結(jié)果表明,在液相區(qū)內(nèi),鋼液表面張力隨著溫度降低而持續(xù)降低;在固液兩相區(qū),鋼液表面張力的演變行為存在顯著差異:當碳質(zhì)量分數(shù)較高(0.39%和0.95%)時,鋼的固液兩相區(qū)溫度范圍較寬,C和S在凝固過程中有充分的時間析出,液相中溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)隨著溫度的降低而升高,進而導致鋼液表面張力顯著降低;當碳質(zhì)量分數(shù)較低(0.0021%、0.063%和0.148%)時,鋼的固液兩相區(qū)寬度較窄,凝固時間較短,C和S在凝固過程中沒有充分的時間析出或析出量較少,對液相表面張力沒有體現(xiàn)出顯著的影響;隨著鋼中硫質(zhì)量分數(shù)的升高,凝固過程S偏析對鋼液表面張力的降低效應逐漸減弱;包晶反應可通過影響鋼液降溫過程而減緩表面張力的降低趨勢。另外,還考察了鋼中非金屬夾雜物對鋼液表面張力的影響,結(jié)果表明,非金屬夾雜物在鋼液表面的浮出過程可降低鋼液的表面張力,隨著鋁脫氧后靜置時間的延長,鋼水潔凈度逐漸提高,鋼液表面張力逐漸升高并趨于穩(wěn)定。


根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)中結(jié)晶器保護渣成分,采用拉筒法測定了CaO-SiO2-Na2O-CaF2系熔渣的表面張力,并考察了溫度的影響。結(jié)果表明,熔渣表面張力隨著溫度的升高而降低;在較低溫度范圍內(nèi)(1350——1410℃),堿度較高(1.03和1.16)的熔渣表面張力受溫度的影響較大,而堿度較低(0.67和0.85)的熔渣表面張力受溫度的影響較小;在較高溫度范圍內(nèi)(1410——1580℃),熔渣表面張力的降低趨勢趨于平緩。為揭示熔渣表面張力隨溫度變化的微觀本質(zhì),對熔渣結(jié)構(gòu)進行了測定分析。結(jié)果表明,表面張力的演變與熔體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變具有顯著的一致性,當堿度較低(0.67和0.85)時,熔體的聚合程度較高,溫度對熔渣結(jié)構(gòu)的影響較小;當堿度較高(1.03和1.16)時,溫度對熔渣結(jié)構(gòu)的影響顯著,隨著溫度的升高,熔體聚合程度迅速降低,熔渣內(nèi)陰離子團的平均半徑減小,分子熱運動增強,分子間相互作用力降低,最終導致熔渣表面張力降低。


根據(jù)鋼液和熔渣表面張力測定結(jié)果,計算獲得了連續(xù)降溫過程渣鋼界面張力的演變行為,并構(gòu)建了基于變溫過程的彎月面形狀方程。結(jié)果表明,連續(xù)降溫過程鋼液表面張力的突變決定了渣鋼界面張力的變化趨勢,進而決定了彎月面形狀的非連續(xù)性。當固液兩相區(qū)溫度區(qū)間足夠?qū)挄r,該區(qū)間內(nèi)彎月面趨向于向結(jié)晶器壁靠攏,具有了發(fā)生鋼水溢流的趨勢。結(jié)合結(jié)晶器內(nèi)彎月面實際凝固過程分析表明,鋼液成分所決定的界面張力大小與凝固區(qū)間寬度共同決定了鋼液的溢流方式以及振痕的種類。


對于以IF鋼為代表的超低碳鋼,界面張力大,固液兩相區(qū)間小,彎月面凝固距離長,在一定過冷度條件下,溢流發(fā)生晚,易形成周期性的覆蓋形式振痕;對于類似于中碳含硫鋼,固液兩相區(qū)間很寬,界面張力有較為明顯的降低,彎月面可形成一定長度的凝固距離,可較早發(fā)生溢流行為,易形成周期性的不具有顯著覆蓋形式的凹狀振痕;對于類似于軸承鋼的高碳鋼,固液兩相區(qū)間很寬,固液兩相區(qū)界面張力更低,彎月面更加靠近結(jié)晶器壁,表現(xiàn)為沒有顯著的鋼液溢流行為,以致形成沒有明顯周期性的不具有覆蓋形式的鉤狀振痕。


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