包晶钢连铸保护渣性能优化研究

摘要

包晶钢是指碳含量为0.08％~0.17%的普通碳素钢，由于其在浇铸凝固过程中处于包晶区(L+δ—γ)，易发生包晶相变而引起体积收缩，造成铸坯表面质量缺陷。优质的包晶钢保护渣具有良好热阻性能，可降低铸坯与结晶器之间的传热，缓解包晶钢浇铸时的体积收缩，从而减少包晶钢铸坯表面缺陷率。因此针对不同工艺条件，优化保护渣热阻特性一直是不同生产线提高包晶钢质量的关键之一。目前，提高包晶钢保护渣热阻性能的常用方法是提高保护渣碱度，但持续增加碱度会导致保护渣粘度、熔点、开始凝固温度等物理性能恶化，造成现场漏钢事故。本论文针对武钢包晶钢技术特点，提出通过改变碳质材料种类和添加新型添加剂调控保护渣结构方法，提高包晶钢保护渣的热阻性能，并确保其他物理性能较佳。
　　本论文系统研究了碳质材料及新型添加剂对包晶钢保护渣微观结构、物理性能、传热性能的影响以及相互之间的作用关系，进行了包晶钢保护渣的优化，得到主要结论和创新点如下：
　　（1）基于获取高性能包晶钢保护渣基渣的目的，以现场生产使用效果为标准，对比待筛选保护渣的熔点、熔速、粘度、成分、矿相、表面粗糙度、以及热流密度，得出高熔点、低熔速、低粘度、高碱度、高结晶率的保护渣有利于包晶钢浇铸，这为其他保护渣使用企业筛选包晶钢保护渣提供了借鉴。
　　（2）基于提高包晶钢保护渣绝热保温性能的需要，提出一种在试样恒重、等温条件下，依据热补偿功率的变化来判断含碳质材料保护渣绝热保温性能的测试方法，并验证了测试方法的可靠性，为发热型保护渣、特殊钢保护渣测试绝热保温性能提供了一种新手段。借助此方法，对九种碳质材料保护渣绝热保温性能进行对比分析，明确乙炔碳黑为最佳碳质材料。利用三维的非稳态、变物性、有内热源的传热模型模拟研究了含碳质材料保护渣的传热过程，讨论了熔速、堆积密度、导热系数以及碳质材料的发热量等影响因素，获得工作状态下不同碳质材料保护渣渣层厚度方向的温度分布规律，进一步证明含乙炔碳黑保护渣绝热保温性能最佳的结论，对改善碳质材料未氧化时的保护渣绝热保温性能提供了理论依据。
　　（3）基于玻璃析晶和玻璃辐射吸收理论，提出添加新型添加剂来控制保护渣结构，调整保护渣中玻璃体和结晶体性质，加深保护渣玻璃体颜色，改善玻璃体的析晶性能，继而降低保护渣的传导传热能力的研究思路，为提高保护渣的热阻性能提供了新途径。通过单掺三氧化二钴与混掺三氧化二铁、氧化亚镍与三氧化二钴两种添加新型添加剂的方法优化保护渣结构与性能。通过 SEM、EPMA、XRD等微观结构表征手段，探究新型添加剂对保护渣微观结构的影响，揭示Fe2O3、NiO和Co2O3作为晶核剂改变了保护渣玻璃相与结晶相的形貌、结构、尺寸以及均匀性，并通过微观结构的优化保证了保护渣粘度、熔点、开始凝固温度等物理性能良好。
　　（4）为探究新型添加剂影响保护渣传热性能的机理，本文围绕保护渣玻璃体与辐射传热关系、结晶体与传导传热关系展开深入理论分析，力求对保护渣传热过程有新认识，对保护渣传热理论有新补充。引用色度理论来表征包晶钢保护渣的可见光辐射传热，并运用离子着色结合表面吸收波长解释了保护渣可见光透射性能的差异；其次利用玻璃中存在的杂质以及缺陷可以增加红外辐射吸收的理论解释了保护渣红外光透射性能的差异。同时针对传导传热研究发现微观结构、结晶率决定保护渣的传导传热性能，其中结晶率是影响保护渣传热性能的关键因素。
　　（5）结合无限大平板辐射传热模型与普朗克辐射传热定律对辐射传热进行了计算，得出辐射传热值规律与测试结果相一致；按照无内热源的单层平板壁的稳定态导热公式对掺入新型添加剂的保护渣的传导传热进行了计算，得出传导传热值与导热系数规律相一致。在此基础上，首次精确计算出包晶钢保护渣中红外光辐射传热、可见光辐射传热以及传导传热的比例，得出包晶钢辐射传热主要由红外辐射传热决定，包晶钢保护渣整体传热性能由传导传热决定。该结论为包晶钢保护渣传热研究指出了重点研究方向。
　　（6）工业化实验研究对优化其它类型保护渣的传热性能提供了新的思路与方法，并对解决保护渣材料传热性能与物理性能不能兼得的矛盾具有重要意义，为新型保护渣材料的研制提供了可以借鉴的全新设计理念。

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第1章 前言

1.1引言

1.2连铸保护渣的分类、作用与意义

1.3包晶钢保护渣及其特性

1.4 包晶钢保护渣国内外研究进展

1.5 课题的提出和主要研究内容

第2章 工业现场包晶钢保护渣性能分析

2.1实验方法

2.2不同工业应用保护渣性能分析

2.3基渣的确定

2.4本章小结

第3章 碳质材料对保护渣基渣性能的影响

3.1引言

3.2 实验方法

3.3不同碳质材料对保护渣熔速性能的影响规律

3.4 含碳质材料保护渣绝热保温性能研究

3.5不同碳质材料对保护渣绝热保温性能影响规律研究

3.6 乙炔碳黑的最佳掺混量的确定

3.7本章小结

第4章 添加剂对保护渣结构与性能的影响

4.1引言

4.2实验方法

4.3结果分析与讨论

4.4性能影响与机理研究

4.5本章小结

第5章 添加剂改善保护渣传热性能的理论分析

5.1引言

5.2 研究方法

5.3 包晶钢保护渣玻璃体着色及其与辐射传热关系研究

5.4包晶钢保护渣结晶体与其传导传热关系研究

5.5 包晶钢保护渣的传热效果理论分析

5.6本章小结

第6章 包晶钢保护渣的工厂实践

6.1前言

6.2 实验条件

6.3 工业试验情况

6.4 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2本文特色及创新点

7.3展望

参考文献

致谢

附录：博士期间已发表论文和专利