連鑄坯坯殼組織中氫的吸附與吸附

連鑄坯坯殼組織中氫的吸附與吸附

隨著鋼溶液中氫含量的增加，鑄造結(jié)構(gòu)中的白色、氣泡、針孔和縱裂缺陷也顯著增加，這對管道鋼、壓力容器鋼和其他氫敏感鋼帶來了顯著的氫裂紋。除此之外,鋼液中的氫也會進一步惡化結(jié)晶器中保護渣液渣層的黏度、導(dǎo)熱系數(shù)等理化性能,輕者會引起坯殼與結(jié)晶器銅板的黏結(jié),重者會發(fā)生黏結(jié)漏鋼惡性生產(chǎn)事故。濟鋼第三煉鋼廠現(xiàn)有的4臺連鑄機在2009年7月的生產(chǎn)過程中,發(fā)生了多起一爐鋼(150t鋼水)澆注過程中頻繁黏結(jié)報警的現(xiàn)象,使得該時間段內(nèi)鑄坯合格率急劇下降,非計劃停機次數(shù)明顯增加,生產(chǎn)穩(wěn)定性受到了嚴重影響。1應(yīng)力發(fā)生黏結(jié)的因素在結(jié)晶器內(nèi),鋼水靜壓力與坯殼和結(jié)晶器之間摩擦系數(shù)的乘積產(chǎn)生一個摩擦力,這個摩擦力必須克服結(jié)晶器內(nèi)坯殼在該點受到的拉坯力,如果該點的摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力大于拉坯產(chǎn)生的應(yīng)力時就會發(fā)生黏結(jié)現(xiàn)象。受拉速、鋼水溫度、結(jié)晶器傳熱及潤滑等條件的影響,結(jié)晶器內(nèi)(尤其是坯殼相對最薄弱的彎月面處)局部摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力大于拉坯產(chǎn)生的應(yīng)力時,坯殼就會被撕裂,鋼液沿著坯殼撕裂處滲出,當鋼液捕獲到渣膜斷帶后直接附著在結(jié)晶器銅板上,此時就會產(chǎn)生黏結(jié)。圖1為結(jié)晶器頻繁黏結(jié)時各工藝參數(shù)曲線圖。正常澆注過程各工藝參數(shù)曲線如圖2所示。2氫對鋼溶液中保護渣的影響2.1氫在鋼液中的溶解度鋼水表面的熱量通過以下途徑傳至結(jié)晶器冷卻水:液態(tài)保護渣形成的渣膜;渣膜與結(jié)晶器銅板間的縫隙;結(jié)晶器銅板。氣隙是熱量傳輸?shù)淖畲鬅嶙?鋼液在結(jié)晶器冷卻水的冷卻作用下溫度的快速降低,鋼液中氫的溶解度也大大降低(圖3),溢出的氫上浮到鋼液表面并被液渣層吸附,隨著液渣的不斷下滲及在冷卻的作用下形成固態(tài)渣膜,被吸附的氫在固態(tài)渣膜中產(chǎn)生大量微孔,大量的微孔就產(chǎn)生了氣隙的作用,導(dǎo)致了熱阻的增加,大大降低了鋼液的熱量傳輸率。當結(jié)晶器內(nèi)局部熱量傳輸率降低到一定值時,此處生成的坯殼就相對減薄,薄弱的坯殼屈服強度將無法克服摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力,就會產(chǎn)生黏結(jié)。氫在鋼液中的溶解度可表示為:lg[H]=0.112?1820/T(1)lg[Η]=0.112-1820/Τ(1)式中,[H]為鋼液中氫含量的原子百分數(shù);T為鋼液溫度。由式(1)可以看出,隨著鋼水在結(jié)晶器冷卻作用下溫度的不斷降低,氫在鋼液中的溶解度也將不斷降低。2.2氟化氫的生成及其作用隨著結(jié)晶器中保護渣液渣層的下滲,液渣層在結(jié)晶器銅板及坯殼之間生成結(jié)晶相和玻璃相兩種狀態(tài)。其中,結(jié)晶相的主要作用是傳熱,玻璃相主要作用是潤滑。起潤滑作用的玻璃相主要成分為SiO2。保護渣中調(diào)節(jié)黏度所加入的CaF2在高溫作用下分解生成氟離子,同時液渣層也將吸附大量鋼種釋放出來的氫,液渣中的氟離子與鋼種氫發(fā)生反應(yīng)生成氟化氫,反應(yīng)式如下。H++F-=HF(2)生成的氟化氫溶于保護渣液渣層中生成氫氟酸,氫氟酸與起潤滑作用的玻璃相的主要成分SiO2發(fā)生強烈反應(yīng),生成SiF4(氣態(tài))。4HF+SiO2=SiF4↑+2H2O(3)SiO2被氫氟酸侵蝕后生成氣態(tài)的SiF4,一方面,起潤滑作用的SiO2無法再發(fā)揮其潤滑作用,將直接導(dǎo)致結(jié)晶器黏結(jié)的發(fā)生;另一方面,生成的氣態(tài)SiF4在液渣層生成大量的氣隙,又一次增大了結(jié)晶器的傳熱阻力,也會導(dǎo)致結(jié)晶器黏結(jié)的發(fā)生。3鋼表面階段水分保障鋼中氫的來源比較復(fù)雜,經(jīng)大量試驗和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,認為鋼中氫主要來源于以下幾個方面。1)加入的廢鋼表面的鐵銹(xFeO·rFe3O4·2H2O);2)鐵合金中的氫氣;3)增碳劑、脫氧劑、造渣劑(Ca(OH)2)、覆蓋劑、保溫劑、保護渣等材料中的水分;4)未完全烘干的鋼包、中間包包襯層及各功能耐材中的水分;5)被鋼水帶入的大氣中的水分;6)連鑄保護澆注所使用的氬氣中的少量水分。4注意所使用的輔料1)各工序所使用的廢鋼及各種造渣材料、鐵合金、輔料等必須保證干燥。廢鋼要經(jīng)過分選,嚴禁有害元素含量高的廢鋼入爐;造渣材料如石灰等,要新鮮、干燥,出窯到入爐時間要短。2)輔料如碳粉、覆蓋劑、保溫劑、保護渣等不要堆存,要按出廠日期先后順序使用,避免存放時間過長導(dǎo)致吸潮。同時,在空氣潮濕季節(jié)需要將輔料放入干燥間進行干燥后再使用。3)所使用的鋼水容器(鋼包、中間包)必須清潔干燥,做到紅包才能接受鋼水;各功能耐材必須完全烘干后方能使用。4)提高RH精煉爐的真空抽氣能力,將真空槽內(nèi)的真空度降低到133.322Pa以下。5)所使用的惰性保護氣體氬氣的純度必須保證,保護澆注工作要做好,避免鋼水二次氧化及吸氣現(xiàn)象的發(fā)生。5鑄坯表面缺陷鋼中氫對結(jié)晶器造成的頻繁黏結(jié)現(xiàn)象所帶來的危害非常大,輕則在澆注過程中頻繁出現(xiàn)鑄坯表面缺陷,造成合格率大