专利名称：一种模拟连铸保护渣与钢水反应的装置和方法
技术领域：
本发明属于炼钢工艺流程中的连铸工艺领域，具体地，涉及一种模拟连铸保护渣与钢水反应的装置和方法，主要适用于含铝、钛等强还原元素的高铝钢、高钛钢等钢种。
背景技术：
连铸保护渣是一种覆盖在连铸机结晶器内钢水表面的炼钢辅助用功能材料，它具有如下几个功能:1、绝热保温；2、防止钢水氧化；3、吸收钢水中上浮的夹杂；4、润滑结晶器铜板与铸坯间相对运动，从而减少拉坯阻力，进而防止坯壳与铜板的粘结；5、充填坯壳与结晶器之间的间隙，从而改善结晶器传热。连铸保护渣是炼钢过程控制铸坯表面质量的最后
一道工艺要素。通常，所述连铸保护渣以CaO、SiO2 二元系为主，外配CaF2、Na2O, Li2O, B2O3等助熔齐U，以及少量的A1203、MgO、MnO等组元和其它一些不可避免的杂质(如Fe2O3)组成，从而达到适宜的理化性能，满足上述使用要求。由于连铸保护渣的熔点相对于钢水温度而言低400 500°C，因此，为控制相对低熔点的连铸保护渣在钢水表面能缓慢熔化，还必须配入一定量的炭质材料，如碳黑和石墨。炭质材料由于具有很高的熔点，能有效阻止保护渣液滴的聚集，从而控制连铸保护渣的熔化速度；且炭质材料又能完全燃烧变为气体，对连铸保护渣不造成污染，因此是一种既廉价又实用的骨架材料。添加到结晶器内的高温钢水(1500°C以上)表面上的低熔点连铸保护渣粉(1000 1100°C )，依靠钢水提供的热量，炭质材料不断燃烧，熔化的液渣滴不断聚集，在钢水表面形成一定厚度的液渣层，液渣层上部的连铸保护渣粉受到未燃烧的炭质材料的骨架作用，依旧保持为粉状，均匀覆盖在钢水面上。粉渣层能起到很好的绝热保温作用，液渣层可有效防止空气的进入及容纳更多的钢水中上浮的夹杂，并为铸坯与结晶器铜板缝隙之间提供充足的液态熔渣，从而保证良好的润滑和传热的控制。连铸保护渣性能不良，就不能保证液渣层的足够厚度和充分的消耗量，就会引起铸坯产生夹渣、裂纹等表面缺陷，严重的使拉坯阻力过大而造成漏钢事故。因此，保护渣是保证连铸工艺顺行和铸坯表面质量的重要手段。随着冶金行业技术的不断拓展，铝在钢中的作用也越来越多，由最初的脱氧、细化晶粒到提高钢的耐蚀性、电阻率和无磁性。对于高铝钢，钢中铝的含量也由0.02%逐渐提高到2 3%，增加了两个数量级。铝具有较好的脱氧、细化晶粒、耐蚀性等作用，因此在钢水中是很常见的元素之一，同时铝也是一种还原性很强的元素，在钢水浇注过程中，由于结晶器内钢水与连铸保护渣直接接触，而连铸保护渣是由众多氧化物混合而成的材料，由图1连铸保护渣中常见氧化物的氧势图可知，钢水中的铝可与连铸保护渣中氧势较高的氧化物发生如下氧化还原反应:4 [Al]+3 (SiO2) = 3 [Si]+2 (Al2O3)2 [Al]+ (B2O3) = 2 [B]+ (Al2O3)2 [Al]+3 (MnO) = 3 [Mn] + (Al2O3)2 [Al]+3 (Na2O) = 6 [Na] + (Al2O3)
2 [Al]+ (Fe2O3) = 2 [Fe] + (Al2O3)这些反应导致保护渣中以SiO2S代表的部分组分被钢水中的铝还原，生成的Al2O3夹杂物上浮进入到连铸保护渣中，此时，上浮的Al2O3夹杂物需要尽快被连铸保护渣层中的液渣层吸收溶解，这个过程的主要影响因素有:(I)、钢水与连铸保护渣层的接触面积；
(2)液渣的粘度；(3)、连铸保护渣溶解夹杂物的能力。然而夹杂物进入液渣层后的溶解能力，则主要取决于连铸保护渣的化学成分，即CaO和SiO2的含量。其中，随着SiO2被钢水中Al氧化，其含量减少，进而导致碱度(Ca0/Si02)增加，当碱度过大时，则溶解夹杂物的能力下降，恶化保护渣的玻璃化效果。B203、Na20作为助熔剂，其含量的降低使保护渣的熔点明显上升，Al2O3的增加促使粘度急剧升高。所有这些成分的变化最终导致保护渣变性，继而丧失应有的保护功能，不利于连铸工艺的顺行和铸坯表面质量的提高。 对于这些氧化物，B203、Mn0、Fe203等氧势较高的组元可以不考虑，但Na2O与SiO2是保护渣最基本的组成，因此很难杜绝上述反应的发生。针对高铝钢的这一特点，在保护渣的开发设计过程中，必须掌握这些反应对保护渣成分和性能的影响程度，才能有针对性地采取相应措施。目前实验室常用的模拟方法是将含铝的钢水与连铸保护渣放入同一容器内进行高温反应，但这种方法有许多不足之处:(I)、所需温度高。钢水的熔点很高，通常实验温度不能低于1550°C ；(2)、所需时间长。钢水热容量大，从加热到冷却至少需要2小时的时间；(3)、容器材质不理想。实验室常用的容器材质有金属、石墨、氧化物(如A1203、MgO)等，金属、碳由于能溶于钢水中，不适于盛装钢水，保护渣又溶解氧化物，也不合适，对反应物存在污染问题；(4)、反应物量大。为了保证化学分析的需求量及取样损耗，实验中保护渣的加入量一般不得少于50g，与之配套反应的钢水量至少在IOOOg以上，所需容器大，操作不方便，对加热炉设备也有更高要求。为解决上述存在的问题，国内主要存在如下文献:申请号:201110244012.5，名称:一种测试连铸保护渣吸收Al2O3夹杂的方法，该专利申请提供一种可模拟结晶器中钢水和熔渣的相对流动的速度，能真实地反映出熔渣溶解三氧化二铝的能力。然而，该方法步骤复杂，且使用刚玉棒并不能有效地模拟钢水与保护渣的接触状况。

发明内容
为解决如上问题，本发明的目的在于提供一种模拟连铸保护渣与钢水反应的装置和方法，主要适用于含铝、钛等强还原元素的高铝钢、高钛钢等钢种，掌握因渣钢反应导致保护渣性能的变化情况，研究不同条件下渣钢反应(连铸保护渣与钢水反应)的程度，设计一种简单实用、能很好地模拟熔渣与钢水中铝等强还原元素间氧化还原反应的装置，利用这一手段，事先在实验室模拟不同性能的保护渣在高铝钢上的使用效果，对开发功能适宜的专用保护渣有较大帮助，可大大减少保护渣的现场试用次数，降低试验成本。为达到上述目的，本发明主要采用如下技术方案:一种模拟连铸保护渣与钢水反应的装置，其特征在于，所述装置由反应装置和分离装置两部分组成，其中，
所述反应装置包括盖体，所述盖体设置于容器开口处，所述容器内部设置有第一坩埚；所述分离装置包括第二坩埚，所述第二坩埚底部设置有开孔，所述第二坩埚下方设置有流槽。根据本发明所提供的一种模拟连铸保护渣与钢水反应的装置，采用的是，所述盖体与容器开口处接触，所述接触为倒角面接触，所述倒角为45°。根据本发明所提供的一种模拟连铸保护渣与钢水反应的装置，采用的是，所述流槽横截面为V型，材质为不锈钢。根据本发明所提供的一种模拟连铸保护渣与钢水反应的装置，采用的是，所述盖体、容器、第一i甘祸和第~甘祸的材质为闻纯石墨，所述闻纯石墨纯度大于或者等于99%,所述第二坩埚底部为锥形。根据本发明所提供的一种模拟连铸保护渣与钢水反应的装置，采用的是，所述盖体厚度为15 25mm ;所述第一樹祸内径35 45mm,外径46 49mm,高80 90mm ;所述容器内径50 55mm,外径55 60mm,高105 11 5mm ;所述开孔的孔径为5 10mm。同时，本发明还提供一种利用所述装置模拟连铸保护渣与钢水反应的方法，其特征在于，包括如下步骤:(A)、将铝和连铸保护渣依次顺序放入第一坩埚中；(B)、将装有铝和连铸保护渣的第一坩埚放入容器中，加盖盖体，将带有盖体的容器放入高温炉内加热，使所述铝和连铸保护渣进行反应；(C)、达到反应时间后，取出带有盖体的容器，冷却至室温；(D)、待冷却至室温后，取出容器内的第一坩埚，敲碎所述第一坩埚，得到粘附在第一坩埚内侧的反应残渣；(E)、逐步敲碎步骤⑶中得到的反应残渣，分离出所得反应残渣中剩余的铝和聚集成团的硅；(F)、将步骤(E)中去除铝和聚集成团的硅后的反应残渣放入高温炉内进行熔化，熔化温度控制在1300°C 1400°C，将熔化后形成的液体倒入第二坩埚内，所述液体通过开孔流至溜槽内，形成渣条；(G)、选取步骤(F)中得到渣条的中间部分进行成分分析，从而掌握反应前后所述连铸保护渣的成分变化情况。根据本发明所提供的一种模拟连铸保护渣与钢水反应的方法，采用的是，所述连铸保护洛的质量为48 52g、粉末状并经去碳处理,所述招的质量为5.0 5.5g、粒状。根据本发明所提供的一种模拟连铸保护渣与钢水反应的方法，采用的是，所述步骤(B)中的反应时间为24 26min、反应温度为1340°C 1360°C。本发明所提供的一种模拟连铸保护渣与钢水反应的装置和方法的有益效果在于:(I)、所述盖体、容器、第一坩埚和第二坩埚的材质均为高纯石墨，且所述高纯石墨纯度大于或者等于99%，消除了传统方法中存在的钢水与保护渣容器材质不兼容等问题，并可有效防止石墨中的灰分进入熔渣中造成成分污染；(2)、整个模拟方法不需要钢水的参与，大大提高了操作人员的人身安全；
(3)、盖体与容器接触部位采用倒角45°设置，并通过盖体自重对容器进行密封，使钢渣反应在隔绝空气的氛围中进行；(4)、装置结构简单、模拟方法用料少，有效降低成本。


图1为连铸保护渣中常见氧化物的氧势图。图2为本发明所提供的一种模拟连铸保护渣与钢水反应的装置和方法中反应装置的结构示意图。图3为本发明所提供的一种模拟连铸保护渣与钢水反应的装置和方法中分离装置的结构示意图。图中，1、盖体2、容器3、第一坩埚4、连铸保护渣5、铝6、第二坩埚7、流槽8、开孔。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明所提供的一种模拟连铸保护渣与钢水反应的装置和方法作进一步的解释说明。本发明所提供的一种模拟连铸保护渣与钢水反应的装置的连接方式如下:反应装置: 容器2开口处设置有盖体1，所述容器2与盖体I接触面成倒角面接触，所述倒角为45°，所述盖体凭借自重对与容器2开口处形成密封连接，可较好地防止空气进入容器2内，所述容器2内部设置有第一坩埚3。其中，所述盖体1、容器2、第一坩埚3材质为高纯石墨，所述高纯石墨纯度大于或者等于99% ;所述容器2的作用在于保护铝5与连铸保护渣4的反应氛围。分离装置:第二坩埚6底部成锥形设置且开有开孔8，所述第二坩埚6下端设置有溜槽7。其中，所述第_. 甘祸6材质为闻纯石墨，所述闻纯石墨纯度大于或者等于99% ;所述流槽7材质为不锈钢，横截面为V型；所述开孔8的孔径大小取决于反应残渣的粘度，粘度越高，孔径越大，此处选为5 10mm。本发明所提供的一种模拟连铸保护渣与钢水反应的方法流程如下:(A)、如图2所示，将铝5和连铸保护渣4依次顺序放入第一坩埚3中；其中，所述连铸保护渣4的质量为48 52g、粉末状并经去碳处理，所述铝5的质量为5.0 5.5g、粒状。这样不但可进一步防止铝粒被氧化，而且铝的密度为2.7g/cm3,略低于熔渣密度3.0g/cm3，熔化后铝在逐渐上浮过程中与熔渣能充分接触(B)、将装有铝5和连铸保护渣4的第一坩埚3放入容器2中，加盖盖体1，将带有盖体I的容器2放入高温炉内加热，使所述铝5和连铸保护渣4进行反应；其中，所述反应时间为24 26min、反应温度为1340 V 1360 V，根据模拟的钢种液相线温度的不同，这一温度值也可以更高或更低。(C)、达到反应时间后，取出带有盖体I的容器2，冷却至室温；(D)、待冷却至室温后，取出容器2内的第一坩埚3，敲碎所述第一坩埚3，得到粘附在第一坩埚3内侧的反应残洛；
(E)、逐步敲碎步骤⑶中得到的反应残渣，分离出所得反应残渣中剩余的铝5和聚集成团的硅；其中，所述反应残渣包括未反应完的铝5和聚集成团的硅，或者二者的固溶体合金。残铝呈塑性，通过破碎的方法可与脆性的残渣分离，但硅呈脆性，弥散在熔渣中未聚集的硅继续通过以下步骤去除。(F)、将步骤(E)中去除铝5和聚集成团的硅后的反应残渣放入高温炉内进行熔化，熔化温度控制在1300°C 1400°C，将熔化后形成的液体倒入第二坩埚6内，所述液体通过开孔8流至溜槽7内，形成渣条；此处，由于硅的熔点在1414°C，密度比液渣轻，且不溶于液渣，因此浮在熔渣表面，将其快速倒入第二坩埚6中，通过合理选取第二坩埚6底部开孔8的孔径，可有效滤除渣中的硅。(G)、选取步骤(F)中得到渣条的中间部分进行成分分析，从而掌握反应前后所述连铸保护渣4的成分变化情况。实施例1:称取去碳的粉末状连铸保护渣50.0g及铝粒5.1g,先将铝粒放在高纯石墨第一坩埚的底部，然后装入连铸保护洛，该第一坩埚内径40mm,外径48mm,高85mm。之后将第一坩祸放入高纯石墨质的容器中，并盖好高纯石墨盖体。该容器内径50mm,外径60mm,高110mm。盖体与容器开口处接触面呈45°倒角，厚20mm。之后将装有第一坩埚的容器连同盖体一同置入1350°C的高温炉内保温，25min后取出空冷至室温，然后打开盖体，敲碎第一坩埚，并将金属物聚团与残渣剥离，金属物呈脆性，有金属光泽，重3.3g，经分析Si为84.4%，A1为
1.7%。将余下的残渣重新装入密封的高纯石墨质的坩埚中入炉熔化，然后快速倒入锥形底高纯石墨第二坩埚中，该第二坩埚底部开孔的孔径为7.0_，渣中未聚团的Si粉上浮在熔渣表面，并残留在第二坩埚中，大部分熔渣通过开孔流到流槽上并凝固成渣条，取样进行化学分析。原渣和反应后的连铸保护渣成分如表I所示。实施例2:称取去碳的粉末状连铸保护渣50.0g及铝粒5.1g,将铝粒放在高纯石墨第一坩埚的底部，然后装入连铸保护渣，所述第一坩埚内径40mm，外径48mm，高85mm。之后将第一坩祸放入高纯石墨质的容器中，并盖好高纯石墨盖体。该容器内径50mm,外径60mm,高110mm。盖体与容器开口处接触面呈45°倒角，厚20mm。之后将装有第一坩埚的容器连同盖体一起置入1350°C的高温炉内保温，25min后取出空冷至室温，然后打开盖体，敲碎第一坩埚，并将金属物颗粒与残渣剥离，金属物呈塑性，无光泽，重4.6g，为未反应的铝粒。将余下的残渣重新装入密封的高纯石墨坩埚中入炉熔化，然后快速倒入锥形底高纯石墨质的第二坩埚中，该第二坩埚底部开孔的孔径为9.0_，渣中未聚团的Si粉上浮在熔渣表面，并残留在第二坩埚中，大部分熔渣通过开孔流到流槽上并凝固成渣条，取样进行化学分析。原渣和反应后的连铸保护渣成分如表I所示。表 I wt %
权利要求
1.一种模拟连铸保护渣与钢水反应的装置，其特征在于，所述装置由反应装置和分离装置两部分组成，其中， 所述反应装置包括盖体(I)，所述盖体(I)设置于容器(2)开口处，所述容器(2)内部设置有第一坩埚(3)； 所述分离装置包括第二坩埚(6)，所述第二坩埚(6)底部设置有开孔(8)，所述第二坩埚(6)下方设置有流槽(7)。
2.根据权利要求1所述的一种模拟连铸保护渣与钢水反应的装置，其特征在于，所述盖体(I)与容器(2)开口处接触，所述接触为倒角面接触，所述倒角为45°。
3.根据权利要求1所述的一种模拟连铸保护渣与钢水反应的装置，其特征在于，所述流槽(7)横截面为V型，材质为不锈钢。
4.根据权利要求1或2所述的一种模拟连铸保护渣与钢水反应的装置，其特征在于，所述盖体(I)、容器(2)、第一 甘祸(3)和第_. 甘祸(6)的材质为闻纯石墨，所述闻纯石墨纯度大于或者等于99%，所述第二坩埚(6)底部为锥形。
5.根据权利要求1或2所述的一种模拟连铸保护渣与钢水反应的装置，其特征在于，所述盖体⑴厚度为15 25mm ;所述第一 甘祸(3)内径35 45mm,外径46 49mm,高80 90mm ;所述容器(2)内径50 55mm,外径55 60mm,高105 11 5mm ;所述开孔⑶的孔径为5 10mnin
6.一种利用如权利要求1所述装置模拟连铸保护渣与钢水反应的方法，其特征在于，包括如下步骤: (A)、将铝(5)和连铸保护渣(4)依次顺序放入第一坩埚(3)中； (B)、将装有铝(5)和连 铸保护渣(4)的第一坩埚(3)放入容器(2)中，加盖盖体(1)，将带有盖体(I)的容器(2)放入高温炉内加热，使所述铝(5)和连铸保护渣(4)进行反应； (C)、达到反应时间后，取出带有盖体⑴的容器(2)，冷却至室温； (D)、待冷却至室温后，取出容器(2)内的第一坩埚(3)，敲碎所述第一坩埚(3)，得到粘附在第一坩埚(3)内侧的反应残渣； (E)、逐步敲碎步骤(D)中得到的反应残渣，分离出所得反应残渣中剩余的铝(5)和聚集成团的硅； (F)、将步骤(E)中去除铝(5)和聚集成团的硅后的反应残渣放入高温炉内进行熔化，熔化温度控制在1300°C 1400°C，将熔化后形成的液体倒入第二坩埚￠)内，所述液体通过开孔(8)流至溜槽(7)内，形成渣条； (G)、选取步骤(F)中得到渣条的中间部分进行成分分析，从而掌握反应前后所述连铸保护渣(4)的成分变化情况。
7.根据权利要求6所述的一种模拟连铸保护渣与钢水反应的方法，其特征在于，所述连铸保护渣(4)的质量为48 52g、粉末状并经去碳处理，所述铝(5)的质量为5.0 5.5g、粒状。
8.根据权利要求6所述的一种模拟连铸保护渣与钢水反应的方法，其特征在于，所述步骤⑶中的反应时间为24 26min、反应温度为1340°C 1360°C。
全文摘要
本发明涉及一种模拟连铸保护渣与钢水反应的装置，其特征在于，所述装置由反应装置和分离装置两部分组成，其中，所述反应装置包括盖体(1)，所述盖体(1)设置于容器(2)开口处，所述容器(2)内部设置有第一坩埚(3)；所述分离装置包括第二坩埚(6)，所述第二坩埚(6)底部设置有开孔(8)，所述第二坩埚(6)下方设置有流槽(7)。同时，本发明还提供一种模拟连铸保护渣与钢水反应的方法。本发明所提供的装置和方法，是一种简单实用、并能很好地模拟熔渣与钢水中铝等强还原元素间氧化还原反应的装置，可减少保护渣的现场试用次数，降低试验成本。
文档编号G01N33/00GK103185770SQ201110456880
公开日2013年7月3日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者张晨, 蔡得祥 申请人:宝山钢铁股份有限公司