大型氧化物夹杂在钢锭底部锥中聚积机理的研究

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1986.01.018 北京钢铁学院学报 1986年3月 Journal of Beijing University No.1 第1期 of Iron and Steel Technology March 1986 大型氧化物夹杂在钢锭底部 锥中聚积机理的研究 董履仁刘新华韦远 (治金系) 摘要 用NH,C水谱液和塑科粒子校拟了钢中大型夹杂物在钢锭底部锥聚积过程，提出了聚积机理，并导出了夹杂聚积 匮的数学方程： vcdU.kc.d 实验结果在生产中得到了验证。威少钢锭底部夹杂物的有效措施是向钢锭相部加发热剂和适当的注温，加发热剂时，要注 意加入时间和加人方法。 关键词：大型夹杂物、钢锭底部锥、聚积 Research on the Mechanism for the Accumulotion of Large Oxide Inclusions in the Bottom of Ingots Dong Luren,Liu Xinhua,Wei Yuan Abstract The model experiments on the accumlation of large oxide inclusion in the bottom of ingots during pouring were carried out by using NH.C1- water solution and plastic particles.The mechanism for the accumulation of inclusion were proposed.The quantity of inclusions may be indicated by the following equation: 0-0aw-U,cod+…w-U.acad It was found that the result of experiments were in good agreement with plant practises. 1985一09一12收到 ·23·

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年 月 第 期 。 大型氧化物夹杂在钢锭底部 锥中聚积机理 的研究 董 履仁 韦 远 摘 要 用 ‘ 水溶液 和塑 料粒子模拟 了钢中大型夹杂物在钢键底 部锥聚 积过 程 ， 提 出了聚 积 机理 ， 并导 出了夹 杂 聚 积 巨的 数学 方程 · 一 丽 一 · · ‘ 才 矛 犷 一 。 实验 结果在生 产 中得到了验 证 。 意加人时间 和加人方 法 。 关键 词 大型 夹杂 物 、 减 少 钢键底 部夹杂 物的有效 措施是向钢锭 帽部加发热 剂和适 当的注温 。 加发热 剂时 ， 要注 钢锭底 部锥 、 聚 积 夕 拟 ， 探 ” ， 邢 ” 呈 了 ‘ 。 。 二 月 一 犷一 · · 矛 · 牛 ’ ‘ 百 一 左 · 。 丫犷 。 一 一 收至 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1986．01．018

Accumulation of the large inclusion on the bottom of ingots is eff- ectively inhibited by the application of the heat-generating agent in the ingot cap but the adding time and method is of very important For reducing inclusion,it is necessary to cast steel in a suitable tem- perature. Key words:large inclusion,bottom of ingot,accumulation. 前 言 自从本世纪初，Howerth1)发表了第一篇关于钢锭底部存在着夹杂物聚积锥的研究报 告以来，已经有许多冶金工作者对这一现象做了广泛的研究(2~1)，并取得了一些成果。 通常，按尺寸可将钢中氧化物夹杂分：为三类2)：(1)尺寸小于14m的夹杂物被称为超显微 夹杂；(2)尺寸为1~50“m之间的被称为小颗粒夹杂；(3)尺寸大于50或100m的被称为大型夹 杂物。大型夹杂物主要是外来夹杂物〔3,10,11,20)；来源于炉渣，耐火材料的侵蚀及二次氧化等。 关于大型夹杂物在钢锭底部的聚积机理，还存在许多分歧。目前主要有以下几种机构1~8)： (1)凝固初期底部的快速凝固使夹杂物滞留于底部；(2)由自然对流携带到底部的夹杂物沉淀 到底部或被凝固前沿所捕获，(3)夹杂物在上浮过程中受到凝固前沿或粘稠层的阻碍而聚积 于底部，(4)夹杂物在上浮过程中被结晶雨所捕获，并沉降到底部，(5)由于凝固前沿或粘稠 层内的脱氧反应而产生的氧化物无法排除。上述机理中，(1)、(5)两机构显然不能很好地说 明问题，其它三个机构较为流行，但它们都试图用单一现象来解释夹杂物在底部的聚积，而 实际上，夹杂物在底部的聚积是凝固过程中的自然对流，结晶雨以及由结晶雨产生的粘稠层 等现象综合作用的结果。 本文尝试用冷态模拟的方法研究大型夹杂物在钢锭底部的聚积过程，并在生产中研究了 浇注工艺和应用发热剂对大型夹杂物聚积的影响，得到了一些有益的结论。 1实验设备及方法 1) （2) 02020 实验是在有机玻璃制成的双侧凝固模型 (3) 中进行的（图1），溶池尺寸为21×100×300 (4) mm,溶池的两侧与冷却槽之间，用1mm厚 (5) 识 的铜板连接。实验中采用干冰和酒精混合物 (6) 作为冷却剂。 选用含30%氯化铵水溶液为模拟钢液凝 固的介质1”13)。固态氯化铵为立方晶系， 并且结晶潜热较低，因此它的结晶过程与 钢液相似。实验中，采用摄影法记录了底部 沉积锥的生长过程。结晶雨的生成速率是通 图1凝固模型 Fig.I Schematic representation of the 过沉积锥体积随时间的变化率来计算的。模 experimantal equipment 型头部热状态是用铜箔制成的金属容器来控 (1)Thermocouples (4)Cooling box (2)Cooling wall 制，其温度控制在40~44℃，过冷时温度控 (5)Plexiglass wall (3)Bath (6)Insulating plate ·24·

一 耳 耳 。 ， 、 、 三 互 。 ， ， 。 前 言 自从本世纪 初 ， 自 〕发表 了第一篇关于钢锭底 部存在着夹杂物聚 积锥 的 研 究报 告 以来 ， 已 经有许 多 冶金 工作者对这一 现 象做了 广 泛的研究 〔 一 “ 〕 ， 并取得了一 些 成 果 。 通 常 ， 按尺 寸可 将钢 中氧 化 物 夹杂分 为 三 类〔 “ 〕 尺 寸小 于护 的夹杂物被称为超 显 微 夹杂 尺 寸为 拌 之 间的被称为 小颗粒 夹杂 尺 寸大 于 或 拼 的被称为 大型夹 杂物 。 大型夹杂物 主要是外来 夹杂物〔 “ ， ， ” ，“ ” 〕 来 源于炉渣 ， 耐火材料的侵蚀及 二 次氧 化等 。 关于大 型 夹杂物在钢锭 底 部的聚积 机理 ， 还存 在许 多 分歧 。 目前 主要 有 以下 几 种机构 〔 一 〕 凝 固初期底部的快 速凝 固使夹杂物 滞留于底部 由 自然对 流携带到底部的 夹杂物沉淀 到 底部或被凝 固前 沿所 浦获 夹杂物在上浮过程 中受到凝固前沿或 粘稠 层的阻碍 而 聚 积 于底部， 夹杂 物在 上浮过程 中被 结晶雨所捕获 ， 并沉 降到底部， 由于凝 固前沿或 粘稠 层 内的脱氧 反应 而产生 的氧 化 物无 法排 除 。 上 述 机理 中 ， 、 两机构显 然不能很好地说 明 间题 ， 其它三个机构较 为流行 ， 但 它 们都试 图用单一 现 象来解释 夹杂物在底部的聚积 ， 而 实际 上 ， 夹杂物在底部的聚积是凝 固过程 中的 自然对流 ， 结 晶雨 以及 由结晶雨产生 的粘 稠层 等现 象综合作用 的结果 。 本文尝试用冷态模拟的方法研究 大 型 夹杂物在钢锭底部的聚 积 过程 ， 并在生产 中研究了 浇注 工艺和应 用 发热 剂对 大 型 夹杂物 聚积 的 影 响 ， 得到 了一 些有 益 的结论 。 实验设备及方法 实验是 在有机玻璃 制成 的双 侧 凝 固模型 中进行的 图 ， 溶 池尺 寸 为 ， 溶 池的两侧 与冷 却槽之 间 ， 用 厚 的铜板 连接 。 实验 中采 用 千 冰和酒 精混 合物 作为 冷 却剂 。 选用 含 氯化钱 水溶 液为模 拟 钢液凝 固的介质 〔 ‘ ’ ‘ “ 。 固态 氯化钱为 立方 品系 ， 并且 结 晶 潜热 较 低 ， 因此 它的 结 晶 过 程 与 钢 液相似 。 实 验 中 ， 采 用摄影 法记录 了底部 沉积 锥的生 长过程 。 结晶雨的生成 速率是通 过沉积 锥体积 随时间的变化率来计算的 。 模 型头部热状态是用铜 箔制成 的金属容器来控 制 ， 其温度控制在 ℃ ， 过冷 时温度 控 ， 二 ‘ 加 ，、 、 ’ ‘ …下 入 人 、 甲 框 〕 、 、 口 口 嘴，叫亡 ， ，甲 图 王 凝 固模型 士 弓 缪

制在0一2℃。为了研究溶液液面产生的结晶雨量，在液面下设置了一个纱网。实验方案克 表1。 表1 结晶雨实验方案 Table 1 Design of the showering crystal experiments 6 Casting. No 2 Condition Casting temp.C 60 60 60 45 45 45 State of the top Natural cooling" Heating Super cooling Natural cooling" Heating Super.cooling *Tempernlture in the room,16~18C 实验中还采用直径为0.54mm和0.391m的两种塑料粒子模拟了夹杂物在钢锭底部的聚积 A 过程。粒子在浇注后期随注流加入，凝同结束后测定沉积锥中捕集的粒子量。 在工厂中，测定了钢锭头部的温度变化规律，并统计分析了攀钢重轨钢的探伤报警率与 浇注工艺之间的关系。 2夹杂物在底部锥中聚积的模拟 2.1结晶雨的生成规律 许多研究结果表明，结晶雨主要来源于模型壁面上产生的激冷晶〔1)、溶液上表面产生的 过冷形核晶1,5,21门，在凝周前沿生成的熔断晶和溶液内产生的等轴晶C1214,16,24)。 Solid zone crystal dense zone Sedimental zone 克4古8一02一古店一 t,min 图2液面产生的结品雨量对总沉淀品量的贡献（头部过冷） 图3结晶雨在模内的分布 Eig.2 Contribution of showering crystals from the Fig.3 Distribution of showering crystals solution surface to total sedimentary crystals in the bath (Top stater Supercooling) 实验中，用纱网承接法分别测定了液而产生的结晶雨和除此以外的其它来源所产生的结 晶雨。由图2可以看出，在头部过冷状态下，液面所产生的结晶雨只占沉淀晶总量的25一30%。 当溶液液面被加热或处于绝热状态时，液面儿乎没有结品雨产生。 ·25·

制在 表 ℃ 。 为 了研究溶液液面产生的结晶雨量 ， 在液面下设置 了一个纱 网 。 实验方 案见 表 结 晶 雨 实验 方案 三， 丝竺竺些… 一 ‘ ， · ，·， 。 … 一一 、 哭 ， 实验 中还采用直 径为 和 的两种塑料粒子 模拟了夹杂物在钢锭底部的聚积 过程 。 粒子 在浇注后 期随注流加入 ， 凝 固结束后 测定沉 积锥 中捕集 的粒子 量 。 在工厂 中 ， 测定 了钢锭头部 的温度变化规律 ， 并统计分析 了攀钢重轨钢的探伤报警率与 浇 注工艺之 间的关系 。 夹杂物在底部锥 中聚积的模拟 结 晶雨 的生 成规律 许多研究结果表明 ， 结晶雨主要来源于模型壁面 上产生 的激冷晶〔 〕 、 溶 液上表 面产生的 过冷形核晶〔 ， “ ‘ 〕 ， 在凝 固前沿生成 的熔断晶和 溶液 内产生 的等轴 晶〔 ， ， 〕 。 吕 犯 ， “ 、 口 浦 ’ · 一 入 。 · ’ ， “ “ 。 ’ · 。 ’ ’ 。 二 “ 趁 ， 口 才 矛 尹 。 。 。 。 。 。 。 · 。 扩 不 。 竺 口 ‘ ’ 夕 户不 致 昌 么 己 与 二一 ‘ 一 ‘ ‘ 一 一一与 一 一 勺 一 图 液面产生 的结 晶雨 量对 总沉 淀品量 的贡献 头部过冷 玉 图 结 晶雨 在模 内的 分布 实验中 ， 用纱 网承接法分别 测定 了液 而产生 的结晶雨和 除此 以外 的其它来 源所产生 的 结 晶雨 。 由图 可 以看 出 ， 在头部 过冷状态 下 ， 液面所 产生 的结品雨只 占沉 淀 晶总 量的 一 。 当溶液液面被 加热或处 于绝热状态 时 ， 液 面几 乎没有结晶雨 产生 。 ， ·

结晶雨在模内的分布并不是均匀的。在高度方向上越接近模型底部，结晶雨越密集，而 且结晶雨的尺寸越大。这样就在沉积锥上方形成了一个结晶雨密集区（图3） 61 Ca6 ting te四pe 6 --60℃ Cast1 ng temp.45℃ 一45C Natural cooling 日 --Top heating 2 10 15 t,min t,min 图4注温对沉淀晶生成的影响 图5头部加热对沉淀晶生成的影响 Fig.4 Effect of casting temperature on the Fig.5 Effect of top heating on the sedimentary sedimentary crystal form crystal form 由图4可见，高温浇注能推迟结晶雨形成时间，并且使凝固初期结晶雨生成速率降低。 这是因为在高温浇注的情况下，注后溶液的过热阻止了结晶雨的生成。头部加热可使凝固初 期结晶雨生成速率大幅度降低，推迟了结晶雨生成高峰的时间（见图5）。 由图6可见，模型底部吹氩能推迟沉积锥的形成时间约2mn,但随后产生的沉积锥快速 生长时间要比不吹氩长得多，并且总沉淀晶量增加，可以说氩气流股推迟了结晶雨的沉降时 间。 Casting temp,45℃ 5 一Nob1ow1ngAr --Blowing Ar 2 8 101214 t,min 图6底部吹氢对沉淀晶生成的影响 Fig.6 Effect of blowing Ar in the bottom of mould on the sedimentary crystal form 2·2模拟实验的相似条件 粒子在自然对流场中的运动可用下式描述： ·26·

结晶雨 在模内的分 布并不是均匀的 。 在高度方 向上越 接近 模型底部 ， 结晶雨越密集 ， 而 且 结晶雨的尺 寸越大 。 这样就在沉 积锥 上方 形成 了一 个 结晶雨密 集 区 图 。。。口日。义 叮工璐口。卜自日口山 月 训 ， 八 飞又丫 一 一 勺 一 斗少丫 工 斗， 一‘ 吕 、 、 、 ‘ 八 ， 坏 洲己 芝 、 卜 一入 夕一一 一 亨一一丫犷一 坦一几 诊 图 注温 对 沉 淀晶 生 成 的 影响 乡 一 边 叨口日﹄ 闭叫衬月 刊︸妇叻。。工口﹄。刊日日口 衬川曰衬日。口。向卜﹄田 头 部加热对 沉 淀 晶生 成 的 影响 哪 由图 可见 ， 高温浇注能推迟结晶雨 形成 时间 ， 并且 使凝 固初 期结晶雨生成速率降低 。 这是因为 在高温 浇注 的情况下 ， 注后 溶液的过热阻止了结晶雨 的生成 。 头部加热可使凝 固初 期结晶雨生成 速率大幅度 降低 ， 推迟了结晶雨生成 高峰的时间 见图 。 由图 可见 ， 模型底部 吹氢能推迟沉 积 锥的形成 时间约 ， 但随后产生 的沉 积锥快 速 生长时间要 比 不 吹氢长得多 ， 并且总沉 淀晶量增加 ， 可 以说氢 气流股推迟 了结晶雨 的沉 降时 间 。 。 土 二 斗乡， 一 双 趾 、、恤 、 恤、，‘ ‘，、 ，，， 、 毛‘ ，， 气、入、 少 、 勺衬口口。日﹄‘。卜 。刊又日。。口日日。 几训卜勃﹄ 红 一 、 吸之 山 ‘ 国衬叫司口 妇口旧叻﹄ 图 底 部吹氢对沉 淀晶生 成的 影响 ， 模 拟实验 的相 似条件 粒子在 自然对 流场 中的运动可用下式描述

p,8=25d,.pw2+2(1-p)g (1) 式中，w=v-4,:阻力系数，等于24/Re 由(1)式作相似变换可以推导出描述粒子运动的两个准数，即修正的斯托克斯准数 (Stks)和阿基米德准数(Ar)。 S-会0o,Aro0g pi.u2 (3) 当Re≤1时，Sks'与Ar是一致的，因此在实验中选取Ar作为描述夹杂物在锭模内运动 的关键准数。 为了模拟结晶雨捕集夹杂物现象，保证塑料粒子在溶液内有足够长的停留时间，选取的 粒子密度略小于溶液的密度，此外粒子的直径还应小于自然对流层内悬浮的粒子直径。根据 这些条件模拟系统各相的物性参数为： 溶液密度：P1=1.088g/cm3,粒子密度P:=1.04g/cm3. 溶液粘度4，=0.01p, 对流速度严=1.0cm/s. 粒子直径分别为0.54mm、0.39mm 由相似关系不难算出，实验中两种不同直径的粒子在凝固过程中的运动规律分别与直径 为90μm和604m的夹杂物相似。 2,3粒子在模型底部聚积现象的观察 为了清楚地观察粒子在模型内的运动过程，实验是在溶液上表面（头部）过冷条件下进 行的。实验清晰可见，模型底部聚积的粒子主要来源于三个途径： (1)溶液自然对流将夹杂物携带到底部，而这些夹杂物又被沉降着的较密巢的沉淀晶截 留于底部。 (2)溶液液面形成的大颗粒晶体，将已经上浮到液面的粒子，又重新带到底部。 (3)低温浇注时，过早地形成大量结晶雨和底部粘稠层，使底部的粒子上浮受阻，从而 被截获于底部。 实验中观察到，被自然对流携带到底部的粒子并不是全部都能被截留于底部，粒子能否 被截获和截获多少，取决于底部结晶雨的密度。例如低温浇注时，注后1~2mi结晶雨密度 最大，这时夹杂物最容易被截获。结品雨捕集夹杂物的现象并不是在整个模内都均匀存在， 它仅仅发生在模型底部结晶雨密集区内，这是因为该区域内结晶雨累积的数量多，尺寸大。 此外还观察到，在液面上过冷的溶液很容易在已浮出母液的粒子上形核，并将粒子包裹起 来，当晶体长大到一定尺寸或有机械冲击时，两者一起沉到底部。 2,4实验结果 由于结晶雨是造成粒子在模子底部聚积的重要原因，因此浇注各工艺参数也必然影响到 粒子在底部的积聚。实验结果见表2。 由表2看出，头部保持绝热条件下，提高注温能显著降低粒子捕集率，这与满尾〔8)， 垣生（⑤）等人的结果是一致的。当头部溶液处于过冷时，注温的高低与粒子捕集率无关。注温 相同时，头部绝热由于液面产生的结品雨量减少，降低了粒子的捕集率。在底部吹氩的情况 下，粒子捕集率比不吹氳约降低20%。 ·27·

‘ 万‘ 一 “ 切 ‘ 八 一 小夕 卜 己一一 式中 二 。 一 ， 睿 阻力系数 ， 等 于 。 由 式作 相似变换可 以推导 出描述粒子 运动的两个准 数 ， 即 修 正 的 斯 托 克 斯 准 数 ， 和阿基米德准数 。 ， 雪 · ，· 田 “ 一 ‘ 。 · “ 二旦 二 旦泣二红及 ‘ 。 么 当 蕊 时 ， ‘ 与 是 一致 的 ， 因 此在实验中选取 作为描述 夹杂物在锭模 内运动 的关键准数 。 为 了模拟结晶雨 捕集夹杂物现 象 ， 保证塑料粒子 在溶液 内有足够 长的停留时间 ， 选取的 粒子密度略小于溶液的密度 ， 此外粒子 的直径 还应小于 自然对流层 内悬 浮的 粒子直径 。 根据 这些条件模拟系统各相的物性参数 为 溶液密度 户 ， 粒子 密度 ‘ “ 溶液 粘度拼 ， 二 ， 对 流速度歹 粒子直 径分别为 、 由相似关系不难算出 ， 实验 中两种不 同直径 的粒子 在凝 固过程 中的 运动规律分 别与直 径 为 拌 和 的夹杂物相似 。 · 拉子在模型底部聚积现 象的观 察 为了清楚地观察粒子 在模型 内的运动过程 ， 实验是在溶液 上表面 头部 过冷条件下进 行的 。 实验清晰可见 ， 模型底部聚积 的粒子主 要来源于三个途径 溶液 自然对流将夹杂物携带到底部 ， 而这些夹杂物又被沉 降着的较密集的 沉 淀晶截 留于底部 。 溶液液面形成 的大颗粒 晶体 ， 将 已经 上浮到液面的粒子 ， 又重新带到底部 。 低温浇注时 ， 过早地形成大量 结晶雨 和底部 粘稠 层 ， 使底部 的粒子 上浮受 阻 ， 从而 被截获于底部 。 实验 中观察到 ， 被 自然对流携带到底 部的粒子 并不是 全部都能被截 留于底部 ， 粒子 能否 被截获和截获多少 ， 取决于底部 结晶雨 的密 度 。 例如低温 浇注时 ， 注后 结晶雨密 度 最大 ， 这时夹杂物最容易被截获 。 结晶雨捕集夹杂物的现 象并不是 在整个模 内都 均匀存在 ， 它 仅仅发生在模型底部结晶雨密集 区内 ， 这是 因 为该 区域内结晶雨 累积 的数 量多 ， 尺 寸大 。 此外还 观察到 ， 在液面 上过冷的溶液很容易在 已浮 出母液 的粒子 上形核 ， 并 将 粒 子 包裹起 来 ， 当晶体长大到一 定尺 寸或有机械 冲击 时 ， 两者一起沉 到底部 。 实验结 果 由于 结晶雨是造成 粒子 在模子底部聚积 的重要原因 ， 因 此浇注 各工 艺参数也 必 然影响到 粒子在底部的积聚 。 实验结果见 表 由表 看出 ， 头部保持绝热条件下 ， 提高注温能显 著降低粒 子 捕集率 ， 这 与 满尾 〔的 ， 垣生〔 〕等人的结果是一致的 。 当头部溶液处 于过冷 时 ， 注温的高低与粒子 捕集率无关 。 注温 相同时 ， 头部 绝热 由于液面产生的结品雨量减 少 ， 降低了粒子 的捕集 率 。 在底部 吹氢 的情 况 下 ， 粒子 捕集率比不吹氢约 降低