TiO2含量對(duì)CaO-Al2O3-TiO2基連鑄保護(hù)渣界面性質(zhì)的影響
王杏娟1,2，王宇1,2，朱立光3，邸天成1,2，樸占龍2
(1. 華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院， 河北 唐山 063210；2. 河北省高品質(zhì)鋼連鑄技術(shù)創(chuàng)新中心， 河北 唐山 063000；3. 河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 河北 石家莊 050000)
摘要：采用熱絲法對(duì)不同TiO2含量的CaO-Al2O3-TiO2基保護(hù)渣進(jìn)行接觸角試驗(yàn)，計(jì)算出保護(hù)渣表面張力和鋼渣界面張力，分析TiO2含量對(duì)保護(hù)渣接觸角、表面張力、界面張力的影響規(guī)律。結(jié)合拉曼光譜，分析TiO2在微觀結(jié)構(gòu)上對(duì)鋼渣界面張力的影響機(jī)理。研究結(jié)果表明，1 723 K溫度下，保護(hù)渣中TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%~12%時(shí)，接觸角為15.3°~38.5°，保護(hù)渣表面張力為523~541 mN/m；在保護(hù)渣TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%~10%和10%~12%時(shí)，鋼渣界面張力變化量分別為4 mN/m和82 mN/m。TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%~10%時(shí)，界面張力基本保持不變，鋼渣間界面反應(yīng)變?nèi)酰撛追蛛x，更符合高鈦鋼連鑄生產(chǎn)的需求。隨著TiO2含量的增加，離子半徑增加，陰陽離子間距增大，熔體內(nèi)主要陰離子為TiO44-單體和Ti2O46-鏈單元，復(fù)合陰離子被排擠到熔體表面，陰陽離子間結(jié)合力降低，進(jìn)一步導(dǎo)致表面張力降低。
關(guān)鍵詞：高鈦鋼； 保護(hù)渣； 接觸角； 表面張力； 熱絲法； 拉曼光譜
1 引言
高鈦鋼作為一種特殊高合金鋼種，近年來在航空航天、生物醫(yī)藥、軍事化工等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。高鈦鋼具有耐腐蝕性能良好、低溫性能好、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)小等特點(diǎn)。常見含鈦合金鋼Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%~0.20%，其種類可簡單分為低合金結(jié)構(gòu)用鋼、深沖鋼、不銹鋼、含硼鋼和焊絲鋼等。
在高鈦鋼連鑄過程中，高鈦鋼中Ti易與保護(hù)渣中SiO2發(fā)生鋼渣界面反應(yīng)生成高熔點(diǎn)化合物，出現(xiàn)在結(jié)晶器鋼液面的冷鋼和難熔化的物質(zhì)混合保護(hù)渣后，易產(chǎn)成“結(jié)魚”，保護(hù)渣流入通道受到阻礙，難以實(shí)現(xiàn)高鈦鋼多爐連澆，惡化鑄坯表面質(zhì)量，產(chǎn)生凹陷、裂紋、夾渣等現(xiàn)象，甚至?xí)l(fā)黏結(jié)漏鋼。研究發(fā)現(xiàn)，通過在保護(hù)渣中適量加入TiO2，可以有效抑制鋼渣界面反應(yīng)，使連鑄過程順行。
界面性質(zhì)是鋼液與熔渣界面間的一種重要性質(zhì)，現(xiàn)已被廣泛研究。LIU Yan-hui等采用滴落法研究了TiO2含量對(duì)1 673 K熔渣表面張力的影響，結(jié)果表明，TiO2在CaO-SiO2-MgO-Al2O3-TiO2渣系中起表面活性劑的作用，加入TiO2會(huì)引起熔體表面張力的降低。毛裕文等用浮滴法測(cè)定了CaO-SiO2-TiO2-Al2O3-MgO系熔渣與攀鋼高爐生鐵間的界面張力，結(jié)果表明，隨著渣中TiO2含量的增加，生鐵與熔渣間的接觸角和界面張力均下降。Kim J B等采用固滴法研究了TiO2對(duì)TiO2-MnO-SiO2-Al2O3四元焊劑潤濕性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著TiO2的增加，液體助焊劑與Pt-10Rh間的界面張力降低，表面張力增加。Sharan A等研究Fe-Ni合金與CaO-Al2O3基熔渣在1 550 ℃的界面張力，發(fā)現(xiàn)向熔渣中添加TiO2會(huì)顯著降低合金與熔渣間的界面張力。學(xué)者們有關(guān)TiO2鋼渣界面張力影響規(guī)律的說法各抒己見，缺少系統(tǒng)研究。
根據(jù)熔渣離子理論模型，研究者認(rèn)為熔渣內(nèi)含有大量的氧化物離子結(jié)構(gòu)，因此熔渣的表面張力與構(gòu)成渣體各個(gè)組分的表面張力有關(guān)。研究證明，保護(hù)渣熔體中存在的正離子、簡單負(fù)離子和復(fù)雜負(fù)離子向各個(gè)方向均等的拉動(dòng)，熔體表面主要為O2-離子，熔體內(nèi)陽離子與O2-的作用力大小即為熔體表面張力的大小。
本文通過采用SHTT（Single Hot-Thermocouple Technique）設(shè)備研究含量不同的TiO2對(duì)高鈦鋼與CaO-Al2O3-TiO2基保護(hù)渣界面性質(zhì)的影響，探討TiO2含量對(duì)接觸角、表面張力、鋼渣界面張力的影響規(guī)律。并進(jìn)一步通過Raman光譜儀分析TiO2在微觀結(jié)構(gòu)上對(duì)鋼渣界面反應(yīng)影響的機(jī)理。
2 精選圖表
3 結(jié)論
(1)1~5號(hào)高鈦鋼保護(hù)渣的潤濕角分別為38.5°、38.4°、37.9°、36.7°和15.3°；表面張力分別為541、535、531、526、523 mN/m；界面張力分別為1 421、1 424、1 425、1 422、1 340 mN/m。隨著保護(hù)渣中TiO2含量的增加，保護(hù)渣接觸角減小、表面張力減小，在保護(hù)渣中TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%~10%和10%~12%時(shí)，界面張力變化量分別為4、82 mN/m。
(2)保護(hù)渣中TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%~10%時(shí)，鋼渣間界面張力基本保持不變，鋼渣間界面反應(yīng)變?nèi)?，鋼渣易分離；保護(hù)渣中TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%~12%時(shí)，界面張力下降較快，界面發(fā)生反應(yīng)，不利于鋼渣間的分離。保護(hù)渣中TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%~10%更符合高鈦鋼連鑄生產(chǎn)的需求。
(3)隨TiO2含量的增加，離子半徑增大，陰陽離子間距增大，熔體內(nèi)主要陰離子為TiO44-單體和Ti2O46-鏈單元，復(fù)合陰離子被排擠到熔體表面，陰陽離子間結(jié)合力降低，進(jìn)一步導(dǎo)致表面張力降低。
