连铸保护渣组分对熔渣表面张力的影响

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摘要:保护渣的表面张力是研究钢渣界面反应的重要参数，其大小直接影响钢渣分离和液渣吸收夹杂物的能力。采用拉筒法测定了板坯连铸保护渣的表面张力，研究结果表明：在本实验条件下，碱度降…

摘要:保护渣的表面张力是研究钢渣界面反应的重要参数，其大小直接影响钢渣分离和液渣吸收夹杂物的能力。采用拉筒法测定了板坯连铸保护渣的表面张力，研究结果表明：在本实验条件下，碱度降低，保护渣体系表面张力随之降低；相反，碱度升高，体系表面张力随之增大；Al₂0₃能使熔渣的表面张力升高，为非表面活性物质；Na₂0，F^-能降低熔渣的表面张力，为表面活性物质。

关键词:保护渣，表面张力，碱度

1 前言

　结晶器保护渣对改善铸坯质量的作用显著，但当结晶器中钢渣界面发生较强的传质活动时，界面容易发生扰动，界面张力急剧下降，即通常说的马兰各尼效应。熔渣易弥散到钢水中造成卷渣。板坯连铸由于拉速较高时液面不稳定，更易使保护渣卷入结晶器钢水中，造成铸坯的表面缺陷和皮下夹杂。结晶器保护渣表面张力是保护渣重要物理性能之一，是研究钢渣界面反应的重要参数，其大小直接影响钢渣分离和液渣吸收夹杂物的能力。保护渣要达到充分吸收夹杂物、本身又不被卷入钢液取决于钢液一夹杂物、夹杂物一熔渣、熔渣一钢液界面上张力的大小。在钢种和温度一定的条件下，熔渣一钢液界面上张力主要取决于保护渣的表面张力和钢液界面的湿润程度。当熔渣表面张力愈大，钢渣黏附功愈小，则熔渣不容易卷入钢液中，因而提高保护渣熔渣的表面张力可以减少卷渣。本文采用拉筒法测定了保护渣表面张力，并研究了各组分对保护渣表面张力的影响规律。

2 实验研究

　本实验选用的基础渣化学成分见表1，采用组分增量法来改变保护渣的化学组成。然后选用RTW一10型熔体物性综合测定仪来测定1400℃下保护渣的表面张力。该装置由高温加热系统、测温系统和水冷系统组成。其测试原理：将金属钼筒水平地放在熔渣液面上，当金属钼筒被拉起时，由于受到液态熔渣表面张力的作用，它将液体连同带起，当拉起的液体重量与表面张力平衡时，带起的液体重量达到最大值，由此可计算出熔渣的表面张力。

表l　实验基础渣化学成分　％

3 结果及分析

　用RTW一10型熔体物性综合测定仪测定的实验基础保护渣1400℃下的表面张力为0.4699N/m。根据熔渣离子溶液模型的理论来看，保护渣是由氧化物组成的离子结构熔体，因此保护渣的表面张力与各氧化物熔体的表面张力有关，且表面张力主要取决于液体单位表面上的质点数和离子间力矩。目前普遍认为在保护渣熔体中主要存在正离子、简单负离子和复杂负离子。由于氧离子半径比正离子半径大，因此形成熔体时，表面主要被0^2-占据。氧化物的表面张力主要取决于正离子对O^2-的作用力。表2列出了本实验渣中各离子的离子半径与静电势。

表2　渣中离子半径与静电势

3.1 碱度对表面张力的影响

　一般情况保护渣的碱度用二元碱度表示，即CaO和SiO₂浓度的比值，改变碱度主要通过调节渣中SiO₂和CaO的含量来实现。熔融保护渣中的酸性氧化物是SiO₂，在高温下酸性氧化物SiO₂结合氧离子生成复杂的阴离子SiO₂^4-。当降低体系的碱度时，造成熔渣中的0^2一不足，使SiO₂变为SiO₄^4-的反应不易进行，这时SiO₄^4-发生聚合反应，生成更加复杂的Si₂0₇^6-，Si₃0₉^6-，Si₄O₁₂^8-……等硅氧复合阴离子，

　 Si0₂+20^2-=Si0₄^4-

　 Si0₄^4-+Si0₄^4-=Si₂0₇^6一+0^2一

　 Si₂0₇^6一+Si0₄^4-=Si₃0₉^6一+20^2一

　 Si₃0₉^6一+Si0₄^4-=Si₄0₁₂^6一+0^2一

　这些硅氧阴离子有着较大的半径和相对少的电荷，它与金属阳离子的作用力较小，为了降低体系的能量硅氧复合阴离子总是被排挤到熔体表面，从而使熔体表面张力降低。同时，SiO₂含量增加时硅氧复合阴离子聚合程度加大，它与金属阳离子间的作用力减小，被排挤到表面的数量即表面浓度加大，所以熔体的表面张力进一步降低，因此熔渣的表面张力随碱度的降低而减小。

　相反，当保持SiO₂的含量不变，通过增加CaO含量来提高熔渣碱度时，由于CaO呈碱性，熔融时离解为Ca2+和O^2-。一方面，就0^2-和Si₂0₇^6-，Si₃O₉^6-，Si₄O₁₂^8-等硅氧离子的大小而言，0^2一离子半径远远小于硅氧离子半径，它的增多或减少所引起的表面张力的变化量，要比增加或减少同样数量的硅氧离子所引起的表面张力的变化量要大得多；另一方面，熔渣体系的0^2一增加时，会抑制SiO₄^4-相互结合生成复杂的络合阴离子。因此，在熔渣中加入的CaO越多，游离的0^2一越多，熔体的表面张力也就越大。由以上分析可得出：碱度降低，保护渣体系表面张力随之降低，相反，碱度升高，体系表面张力随之增大(见图1)。

图1碱度对保护渣表面张力的影响

3.2 Al₂O₃对保护渣表面张力的影响

图2 Al₂O₃含量对保护渣表面张力的影响

　图2是Al₂O₃含量对保护渣表面张力的影响，当Al₂O₃含量从3％增至9％时，熔渣表面张力从0.4419N/m增大到0.5029N/m，增幅达到13.8％。当Al₂O₃含量较少时，在熔融保护渣中Al₂O₃主要以A1³⁺和0^2一形式存在，A1³⁺静电势为6.00，具有较大的静电势，对熔渣表层O^2-作用力强，当其含量增加时表层0^2-受到向液体内部的作用力不断增大，熔渣的表面张力呈上升趋势。由图2可知，当加入Al₂O₃的量达到5％后，熔渣表面张力增加趋于平缓。这是因为A1³⁺的静电势较大，有很强的极化能力，它能强烈地吸引0^2一而形成具有共价键结构的复合阴离子A10₂^-，即发生反应：Al₂O₃+O^2-=2AlO₂^-。复合阴离子AlO₂^-由于离子半径大而使其静电势较弱，因此被排挤到熔体的表面，降低了熔渣的表面张力，由此降低的表面张力与升高的部分表面张力相互抵消，从而使表面张力的增速较为平缓。从整体趋势来看，随着Al₂O₃含量的增加，保护渣的表面张力不断增大，因此Al₂O₃属非表面活性物质。

3.3 F^-对保护渣表面张力的影响

　图3为F^-含量对保护渣表面张力的影响，当其含量从4％增至10％时，熔渣的表面张力从0.3941N/m下降到0.2984N/m，降幅达到24.3％，下降趋势近乎直线。从离子角度来看，F^一和0^2-的离子半径相近，性质相似，F^一的静电势为0.74，比0^2-的静电势小，随着含量的不断增加，静电势较小的F^一被排斥到熔渣，使得熔渣单位表面上的质点数增加，从而降低了表面张力。另外，在保护渣中存在大量的网状或链状复合硅氧负离子，F^一和0^2一的离子半径相近，性质相似，F^一能代替0^2一促使渣中Si_xO_y^2-解体，使其分裂

连铸保护渣组分对熔渣表面张力的影响

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摘要:保护渣的表面张力是研究钢渣界面反应的重要参数，其大小直接影响钢渣分离和液渣吸收夹杂物的能力。采用拉筒法测定了板坯连铸保护渣的表面张力，研究结果表明：在本实验条件下，碱度降…

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