含鈦不銹鋼的連鑄水口結(jié)瘤和保護(hù)渣寶鋼講課件

1、含鈦不銹鋼的連鑄水口結(jié)瘤和保護(hù)渣寶鋼講1 含鈦不銹鋼的連鑄水口結(jié)瘤含鈦不銹鋼的連鑄水口結(jié)瘤 和結(jié)晶器保護(hù)渣和結(jié)晶器保護(hù)渣 陳偉慶陳偉慶 北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院 20072007年年1212月月 含鈦不銹鋼的連鑄水口結(jié)瘤和保護(hù)渣寶鋼講2 內(nèi)內(nèi) 容容 1.含鈦不銹鋼中鈦的作用和存在的問題含鈦不銹鋼中鈦的作用和存在的問題 2.含鈦不銹鋼的表面缺陷含鈦不銹鋼的表面缺陷 3.含鈦不銹鋼的連鑄結(jié)晶器內(nèi)的含鈦不銹鋼的連鑄結(jié)晶器內(nèi)的“結(jié)魚結(jié)魚” 4.含鈦不銹鋼的連鑄水口結(jié)瘤含鈦不銹鋼的連鑄水口結(jié)瘤 5.不銹鋼連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣不銹鋼連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣 含鈦不銹鋼的連鑄水口結(jié)瘤

2、和保護(hù)渣寶鋼講3 （2 2）不銹鋼中加入）不銹鋼中加入TiTi帶來的問題帶來的問題 含鈦不銹鋼連鑄困難，經(jīng)常出現(xiàn)水口結(jié)瘤，影響連鑄生產(chǎn)；有時(shí)出現(xiàn)含鈦不銹鋼連鑄困難，經(jīng)常出現(xiàn)水口結(jié)瘤，影響連鑄生產(chǎn)；有時(shí)出現(xiàn) 結(jié)晶器內(nèi)結(jié)晶器內(nèi)“結(jié)魚結(jié)魚”，惡化連鑄坯表面質(zhì)量；，惡化連鑄坯表面質(zhì)量； 含鈦不銹鋼連鑄坯表面質(zhì)量差，非金屬夾雜物嚴(yán)重，導(dǎo)致修磨量大，含鈦不銹鋼連鑄坯表面質(zhì)量差，非金屬夾雜物嚴(yán)重，導(dǎo)致修磨量大， 成材率低。成材率低。 含鈦不銹鋼中的非金屬夾雜物常常成為腐蝕源，使鋼的耐蝕性，特別含鈦不銹鋼中的非金屬夾雜物常常成為腐蝕源，使鋼的耐蝕性，特別 是耐點(diǎn)腐蝕性下降；使鋼的拋光性能變差，難以達(dá)到最佳拋光

3、質(zhì)量，是耐點(diǎn)腐蝕性下降；使鋼的拋光性能變差，難以達(dá)到最佳拋光質(zhì)量， 且拋光成本高。且拋光成本高。 這些問題的出現(xiàn)導(dǎo)致連鑄坯表面質(zhì)量惡化，進(jìn)一步影響成品板材這些問題的出現(xiàn)導(dǎo)致連鑄坯表面質(zhì)量惡化，進(jìn)一步影響成品板材 的表面質(zhì)量。的表面質(zhì)量。 含鈦不銹鋼的連鑄水口結(jié)瘤和保護(hù)渣寶鋼講4 2、含鈦不銹鋼的表面缺陷、含鈦不銹鋼的表面缺陷 含鈦不銹鋼冶煉連鑄過程生成的各種夾雜物，例如：含鈦不銹鋼冶煉連鑄過程生成的各種夾雜物，例如：TiN、TiO2， MgOAl2O3、CaOTiO2等富集在鑄坯表面，軋鋼時(shí)易造成板材等富集在鑄坯表面，軋鋼時(shí)易造成板材 表面缺陷。表面缺陷周圍出現(xiàn)明顯的銹蝕。表面缺陷。表面缺陷周

4、圍出現(xiàn)明顯的銹蝕。 含鈦不銹鋼連鑄過程如出現(xiàn)結(jié)瘤或結(jié)晶器含鈦不銹鋼連鑄過程如出現(xiàn)結(jié)瘤或結(jié)晶器“結(jié)魚結(jié)魚”，將會(huì)產(chǎn)生鑄坯表面，將會(huì)產(chǎn)生鑄坯表面 缺陷，進(jìn)而造成最終產(chǎn)品的表面缺陷。缺陷，進(jìn)而造成最終產(chǎn)品的表面缺陷。 圖圖1 典型的典型的321不銹鋼中板表面缺陷形貌不銹鋼中板表面缺陷形貌 圖圖2 321不銹鋼板表面缺陷顯微結(jié)構(gòu)不銹鋼板表面缺陷顯微結(jié)構(gòu) 含鈦不銹鋼的連鑄水口結(jié)瘤和保護(hù)渣寶鋼講5 圖圖3 不銹鋼最終產(chǎn)品的表面翻皮缺陷不銹鋼最終產(chǎn)品的表面翻皮缺陷 圖圖4 316Ti連鑄結(jié)晶器內(nèi)連鑄結(jié)晶器內(nèi)TiN與保護(hù)渣與保護(hù)渣 反應(yīng)產(chǎn)生的小顆粒夾雜物團(tuán)簇反應(yīng)產(chǎn)生的小顆粒夾雜物團(tuán)簇 掃描電鏡和能譜分析表明：

5、掃描電鏡和能譜分析表明： 掃描電鏡和能譜分析表明：掃描電鏡和能譜分析表明： 翻皮翻皮是由是由TiN、Ti3O5、MgOAl2O3、 夾雜物團(tuán)簇夾雜物團(tuán)簇含有含有TiN、保護(hù)渣、凝固、保護(hù)渣、凝固 CaOTiO2等夾雜物粘附在鑄坯表面，等夾雜物粘附在鑄坯表面， 的金屬小顆粒等。當(dāng)被粘附在鑄坯的金屬小顆粒等。當(dāng)被粘附在鑄坯 經(jīng)軋制后形成經(jīng)軋制后形成 表面時(shí)，將造成最終產(chǎn)品的翻皮缺陷表面時(shí)，將造成最終產(chǎn)品的翻皮缺陷 含鈦不銹鋼的連鑄水口結(jié)瘤和保護(hù)渣寶鋼講6 TiN的生成條件的生成條件 Ti + N = TiN(S) lnK=37140/T 13.75 321321鋼種：鋼種：1500,N1500,N

6、100ppm100ppm和和TiTi0.3%0.3%時(shí)時(shí), ,生成生成TiNTiN 409409鋼種鋼種: 1500,N: 1500,N100ppm100ppm和和TiTi0.25%0.25%時(shí)時(shí), ,生成生成TiNTiN 圖圖9 15001650下下TiN在在321 圖圖10 1500下下TiN在在409 不銹鋼中穩(wěn)定存在的熱力學(xué)曲線不銹鋼中穩(wěn)定存在的熱力學(xué)曲線 不銹鋼中穩(wěn)定存在的熱力學(xué)曲線不銹鋼中穩(wěn)定存在的熱力學(xué)曲線 含鈦不銹鋼的連鑄水口結(jié)瘤和保護(hù)渣寶鋼講7 鈦氮積鈦氮積 Ti + N = TiN(S) G= -308799 + 114T J/mol （1） 平衡常數(shù)平衡常數(shù) （2） 由上

7、式可得到：由上式可得到： （3） 1 % TiN TiNTiN a K a afTi fN 1 % TiN TiN Kff 表表3 18Cr-8Ni型不銹鋼液中析出型不銹鋼液中析出TiN夾雜物的條件夾雜物的條件 試驗(yàn)溫度試驗(yàn)溫度/%Ti%N%Ti%N 10-3 15650.220.0245.28 15780.250.0256.25 16380.220.06514.3 16850.250.09022.5 含鈦不銹鋼的連鑄水口結(jié)瘤和保護(hù)渣寶鋼講8 氮化鈦結(jié)瘤的控制氮化鈦結(jié)瘤的控制 控制鋼中N含量在TiN鋼液中穩(wěn)定存在的熱力學(xué)曲線之下； 控制鋼中Ti含量在TiN鋼液中穩(wěn)定存在的熱力學(xué)曲線之下； 控制

8、Ti%N%積小于形成TiN的臨界值（小于小于3.510-3 ）。 AOD爐內(nèi)控氮：爐內(nèi)控氮：全程吹氬，保持較高的脫碳速度， 鋼液還原后不再加合金調(diào)成份， AOD爐出鋼后控氮：爐出鋼后控氮： 出鋼前鋼包內(nèi)充Ar，出鋼過程中Ar氣保護(hù)鋼流； 鋼包內(nèi)吹A(chǔ)r攪拌時(shí)，避免裸露鋼液面造成鋼水吸N； 保護(hù)澆鑄，防止二次氧化，避免澆鑄過程中鋼液吸氮； 控制較高的中間包鋼水過熱度，避免過多析出TiN； 提高鋼水潔凈度，減少M(fèi)gOAl2O3等等夾雜物的生成， 吹A(chǔ)r弱攪拌加強(qiáng)夾雜物的排除。 含鈦不銹鋼的連鑄水口結(jié)瘤和保護(hù)渣寶鋼講9 4.3 4.3 含鈦鐵素體不銹鋼連鑄水口的氧化鈦夾雜物結(jié)瘤含鈦鐵素體不銹鋼連鑄水口

9、的氧化鈦夾雜物結(jié)瘤 氧化鈦結(jié)瘤物的物相分析氧化鈦結(jié)瘤物的物相分析 圖圖18 409浸入式水口結(jié)瘤物的掃描電鏡照片浸入式水口結(jié)瘤物的掃描電鏡照片 圖圖19 氧化鈦型結(jié)瘤物的電鏡照片氧化鈦型結(jié)瘤物的電鏡照片 O Ti Al Zr (wt) 29.24 66.92 1.97 1.87 氧化鈦結(jié)瘤物主要由鋼中氧化鈦夾雜物在澆鑄氧化鈦結(jié)瘤物主要由鋼中氧化鈦夾雜物在澆鑄 過程中與凝固金屬共同粘附在水口內(nèi)壁形成過程中與凝固金屬共同粘附在水口內(nèi)壁形成 含鈦不銹鋼的連鑄水口結(jié)瘤和保護(hù)渣寶鋼講10 鋼中氧化鈦夾雜物的形成鋼中氧化鈦夾雜物的形成 2/3Ti + O = 1/3Ti2O3 2/3 Ti + （FeO）

10、 = 1/3Ti2O3 + Fe 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 00.10.20.30.40.50.6 Ti% aOppm 圖圖20 439喂喂Ti線后，鋼中氧化鈦夾雜物線后，鋼中氧化鈦夾雜物 圖圖21 實(shí)驗(yàn)室用定氧探頭實(shí)測(cè)的不銹實(shí)驗(yàn)室用定氧探頭實(shí)測(cè)的不銹 能譜分析能譜分析O=70.44wt%，Ti=29.56wt% 鋼中鋼中Ti含量與氧活度的關(guān)系含量與氧活度的關(guān)系 含鈦不銹鋼的連鑄水口結(jié)瘤和保護(hù)渣寶鋼講11 0.0000.0050.0100.0150.0200.0250.030 -100000 -80000 -60000 -40000 -20000 0 20000

11、 0.0000.0050.0100.0150.0200.0250.030 -100000 -80000 -60000 -40000 -20000 0 20000 0.0000.0050.0100.0150.0200.0250.030 -100000 -80000 -60000 -40000 -20000 0 20000 (3)-1/2Ti+O=1/2TiO2(s) (3) (1)-Ti+O=TiO(s) rG(J/mol) %0(即aO) (1) (2)-2/3Ti+O=1/3Ti2O3(s) (2) 圖圖 不同鈦氧化物的不同鈦氧化物的 與與%O的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線 鈦氧化物的穩(wěn)定性由強(qiáng)到弱為

12、：鈦氧化物的穩(wěn)定性由強(qiáng)到弱為：Ti2O3 TiO2TiO。 因此，因此，1873K時(shí)，鋼液中優(yōu)先生成的鈦氧化物為時(shí)，鋼液中優(yōu)先生成的鈦氧化物為Ti2O3 。 KrG1873 鋼液中鋼液中TiO反應(yīng)熱力學(xué)反應(yīng)熱力學(xué) 含鈦不銹鋼的連鑄水口結(jié)瘤和保護(hù)渣寶鋼講12 0.0000.0050.0100.0150.0200.0250.030 -120000 -100000 -80000 -60000 -40000 -20000 0 0.0000.0050.0100.0150.0200.0250.030 -120000 -100000 -80000 -60000 -40000 -20000 0 (1)-2/3

13、Al+O=1/3Al2O3(s) (1) rG1873K(J/mol) %O(即aO) (2) (2)-2/3Ti+O=1/3Ti2O3 (s) 圖圖 Al2O3和和Ti2O3生成生成 的的 對(duì)比對(duì)比 Al2O3生成曲線低于生成曲線低于Ti2O3的生成曲線，的生成曲線， 所以在所以在1873K鋼液中，鋼液中， Al2O3優(yōu)先生成。優(yōu)先生成。 KrG1873 鋼液中鋼液中TiO，AlO反應(yīng)熱力學(xué)反應(yīng)熱力學(xué) 含鈦不銹鋼的連鑄水口結(jié)瘤和保護(hù)渣寶鋼講13 0246810121416 0 10 20 30 40 50 60 2Al+Ti2O3(s)=2Ti+Al2O3(s) 2Ti+Al2O3(s)=2

14、Al+Ti2O3(s) aTi aAl 0.000.010.020.030.04 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2Al+Ti2O3(s)=2Ti+Al2O3(s) %Ti %Al 2Ti+Al2O3(s)=2Al+Ti2O3(s) 鋼液中鋼液中TiAlO系的熱力學(xué)系的熱力學(xué) 2Ti+Al2O3=Ti2O3+2Al G = G0 +2.303RTlg = 41161+35862.6 lg 1873 K， GG = 0時(shí)（反應(yīng)平衡），時(shí)（反應(yīng)平衡）， =0.267 ， =3.745 。 2 2 Ti Al 2 2 Ti Al Ti Al Al Ti 圖圖 TiAlO系平衡時(shí)系平衡時(shí) %A

15、l和和%Ti之間的關(guān)系及優(yōu)勢(shì)區(qū)之間的關(guān)系及優(yōu)勢(shì)區(qū) 圖圖 TiAlO系平衡時(shí)系平衡時(shí) 和和 之間的關(guān)系及優(yōu)勢(shì)區(qū)之間的關(guān)系及優(yōu)勢(shì)區(qū) Ti Al % % Ti Al =0.0202時(shí)，時(shí)，反應(yīng)達(dá)平衡，曲線之上，鋼液中生成反應(yīng)達(dá)平衡，曲線之上，鋼液中生成Ti2O3; 曲線之下，鋼液中生成曲線之下，鋼液中生成Al2O3 所以，當(dāng)所以，當(dāng)Al/Ti0.02時(shí)時(shí), 例如例如 Ti=0.25%時(shí)，時(shí)，Al0.005%就可避免就可避免Ti氧化生成氧化生成Ti2O3 ， 含鈦不銹鋼的連鑄水口結(jié)瘤和保護(hù)渣寶鋼講14 0.000 0.002 0.0040.006 0.008 0.010 0.0120.014 0.01

16、6 0.018 -80000 -60000 -40000 -20000 0 20000 (2) (2)-(FeO)+2/3Ti=Fe+1/3Ti2O3(s) (1)-(FeO)+2/3Al=Fe+1/3Al2O3(s) rG(J/mol) FeO即（xFeO） (1) 0.00.51.01.52.0 -80000 -60000 -40000 -20000 0 20000 0.00.51.01.52.0 (2)-(FeO)+2/3Ti=Fe+1/3Ti2O3(s) FeO (2) (1)-(FeO)+2/3Al=Fe+1/3Al2O3(s) rG(J/mol) (1) 圖圖 1873K, (Fe

17、O)與與Al、Ti反應(yīng)的反應(yīng)的GG Al2O3生成曲線低于生成曲線低于Ti2O3的生成曲線，的生成曲線， 所以在所以在1873K， （FeO）優(yōu)先與）優(yōu)先與Al 反應(yīng)。反應(yīng)。 渣中渣中FeO-Al， FeO-Ti反應(yīng)的熱力學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué) 含鈦不銹鋼的連鑄水口結(jié)瘤和保護(hù)渣寶鋼講15 渣中渣中FeO-Al-Ti反應(yīng)的熱力學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué) 圖圖 1873K,FeO=FeO=1時(shí)時(shí), %Al、%Ti與（與（%FeO）反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)區(qū)對(duì)比）反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)區(qū)對(duì)比 當(dāng)渣中（當(dāng)渣中（FeO）=0.1%時(shí)，時(shí)，Ti0.025%才能避免才能避免Ti氧化生成氧化生成Ti2O3； 當(dāng)當(dāng)Ti=0.25%時(shí)，渣中（時(shí)，渣中（FeO

18、）0.025%才能避免才能避免Ti氧化生成氧化生成Ti2O3； 因此，必須先用因此，必須先用Al還原渣中（還原渣中（FeO）到盡可能低的含量（例如）到盡可能低的含量（例如0.1% ），以減少），以減少Ti的氧化的氧化 0.00.10.20.30.4 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.00.10.20.30.40.00.10.20.30.4 %Al或%Ti (1)-(FeO)+2/3Al=Fe+1/3Al2O3(s) (2)-(FeO)+2/3Ti=Fe+1/3Ti2O3(s) (3)-Fe+1/3Al2O3(s)=(FeO)+2/3Al (4)

19、-Fe+1/3Ti2O3(s)=(FeO)+2/3Ti 區(qū) 區(qū) 區(qū) （%FeO） 區(qū)發(fā)生反應(yīng)（1）和（2） 區(qū)發(fā)生反應(yīng)（1）和（4） 區(qū)發(fā)生反應(yīng)（3）和（4） 含鈦不銹鋼的連鑄水口結(jié)瘤和保護(hù)渣寶鋼講16 圖圖1-6 1560時(shí)時(shí)Fe液、液、Fe-11%Cr液與液與Al2O3和和TiO2之間接觸角的比較之間接觸角的比較 TiO2與鋼液之間浸潤(rùn)角與鋼液之間浸潤(rùn)角 針對(duì)鈦穩(wěn)定化不銹鋼連鑄水口結(jié)瘤物中金屬含量多，使用后的連鑄水口內(nèi)壁針對(duì)鈦穩(wěn)定化不銹鋼連鑄水口結(jié)瘤物中金屬含量多，使用后的連鑄水口內(nèi)壁 附著了一層附著了一層TiO2的特點(diǎn)，韓國(guó)浦項(xiàng)和美國(guó)的特點(diǎn)，韓國(guó)浦項(xiàng)和美國(guó)Carnegie Mellon大

20、學(xué)的研究表明：大學(xué)的研究表明： TiO2與鋼液之間浸潤(rùn)角小于與鋼液之間浸潤(rùn)角小于90，接觸良好，所以，接觸良好，所以TiO2結(jié)瘤物傳熱性能明顯優(yōu)結(jié)瘤物傳熱性能明顯優(yōu) 于于Al2O3型結(jié)瘤物，型結(jié)瘤物， 在連鑄過程中，由于在連鑄過程中，由于TiOTiO2 2型結(jié)瘤物的導(dǎo)熱性好，少量鋼液會(huì)因溫度下降而凝固型結(jié)瘤物的導(dǎo)熱性好，少量鋼液會(huì)因溫度下降而凝固 在上面在上面。 含鈦不銹鋼的連鑄水口結(jié)瘤和保護(hù)渣寶鋼講17 鋼包渣和中間包覆蓋劑中鋼包渣和中間包覆蓋劑中TiOTiO2 2的溶解度的溶解度 鋼包渣和中包覆蓋劑的成份直接影響鋼中鋼包渣和中包覆蓋劑的成份直接影響鋼中TiO2夾雜物的數(shù)量。夾雜物的數(shù)量。

21、南非南非Columbus鋼廠認(rèn)為，提高鋼包渣鋼廠認(rèn)為，提高鋼包渣Al2O3 /SiO2 、 CaFCaF2 2/SiO/SiO2 2的比值，的比值， 能顯著增加能顯著增加TiO2在鋼包渣中的溶解度（在鋼包渣中的溶解度（TiO2的飽和值可達(dá)的飽和值可達(dá)15%）。）。 Al2O3含量較高的鋼包渣粘度小、流動(dòng)性好，有利于吸收鋼中含含量較高的鋼包渣粘度小、流動(dòng)性好，有利于吸收鋼中含TiO2的夾雜物的夾雜物。 CaO Al2O3 MgO SiO2 CaF2 Na2O TiO2CaO/SiO2 Al2O3/SiO2 鋼包渣鋼包渣54.5 20.0 7.0 15.0 3.03.631.33 覆蓋劑覆蓋劑38.9 16.9 4.18 35.3 2-4 2-4 0.191.100.48 南非南非Columbus鋼廠冶煉含鈦不銹鋼的鋼包渣和覆蓋劑成份鋼廠冶煉含鈦不銹鋼的鋼包渣和覆蓋劑成份 含鈦不銹鋼的連鑄水口結(jié)瘤和保護(hù)渣寶鋼講18 渣中渣中TiOTiO2 2溶解度的回歸方程式溶解度的回歸方程式： %TiO%TiO2 2 = 96.3986 + 0.000893072T - 0.975043Al = 96.3986 + 0.000893072T - 0.975043Al2 2O O3 3 - 0.977428CaF - 0.977428CaF2 2 - 0