含铝TRIP钢结晶器保护渣黏度特性

D0I:10.13374/i.issnl001053x.2010.06.007 第32卷第6期 北京科技大学学报 Vo132 No 6 2010年6月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Jun 2010 含铝TRIP钢结晶器保护渣黏度特性 王欢 唐萍文光华于雄 重庆大学材料科学与工程学院。重庆400044 摘要含铝RP钢钢液中A易与结晶器保护渣中的S门发生氧化还原反应，使其保护渣中A!Q的质量分数由%快 速增加到30%左右，W9,/Ws由0.10增加到1.44导致黏度发生大的波动.研究了AQ含量和"，/W(s0,对含铝 TRP钢保护渣黏度的影响，建立了高A!Q含量保护渣系黏度的计算模型.结果表明：随着A!O3质量分数由%增加到 17%.综合碱度RK1的保护渣黏度先增大再减小，而1的保护渣黏度变化较小：随着A!Q质量分数由17%增加到30%. 保护渣的黏度快速增大：随着W/Ws,的增大，A上RP钢保护渣的黏度呈现先快速减小而后迅速增大的趋势. 关键词RP钢：结晶器保护渣：氧化铅：黏度 分类号TF777.1 Viscosity characteristic ofmol fuxes for TRIP steel contan ing Al WANG Huan TANG Ping WEN Guang hug YU Xiong Colkge ofMaterals Science and Engneerng ChongngUniversity Chonging 400044 Chna ABSTRACT The oxidation reduction reaction can easily happen beween Al contaned in liqu d steel and SD com ponent nmold flu xes during contiuous casting of IRIP seel con n ing Al As a result the AlO camponent sharply increases from to3.ad thestsmulaneousy ascends 10p144 o he vicosit coul have a bigger fucuati accordingy The efcts ofAO content andw rtio on he viscosiy ofmold ss wee nvestigard pr producing R seel contanng A]A modelwas built to predict he viscosity of the hig AlO shg system The results indicate hat when he comprhensive basicit is ess ha 1 the viscosity ofmold fluxes nitally rises and then reduces again with ncreasng the AlO content fom 3%to17%.but it changes sIgh ty when the basicit is greater than L The viscosity ofmold fuxes drmatcally rseswhen heA]O conent changes fm36.Wih increasngw mti he viscosity ofmol fuxes prTRIP steel coninng Al nitially reduces ad then ab rupty rises KEY WORDS TR IP skeel mold fux akm ina viscosit 相变诱发塑性(transfomation induced Plasticit泄铸时钢液中的A和结晶器保护渣中的S),在钢渣 steel TR P钢兼有高强度和高延展性，在汽车工业 界面易发生氧化还原反应，且当钢渣界面温度为 领域具有广阔的应用前景，是新一代先进的高强度 1773时反应驱动力很大（△G=一484880下 钢(ad小anced h阁nstrength sheet steel AHSS)/r2, moT).Wm等研究了一种常规结晶器保护渣 将A加入RP钢中部分取代单质S形成A质量浇注A上TR钢10m时化学成分的变化情况指 分数0.5%~3%的TRP钢(A上RP钢，其中A】出钢渣间的氧化还原反应使保护渣中S0的质量 比单质S更能够有效地抑制贝氏体相变过程中渗 分数由36.2%被大量消耗至19.9%，保护渣的碱度 碳体的析出，增强R效应并细化晶粒，还可改善 由0.55增大到111同时保护渣中A)Q的质量分 TRP钢的表面镀锌性能3. 数迅速从3%增加到近309%，WA9)/Ys,相应由 典型A上RP钢中A的质量分数高达1%，浇 0.10增加到1.44保护渣成分的改变必然导致其 收稿日期：2009-07-06 基金项目：教有部留学回国人员科研启动基金资助项目(N9(2008)890-7) 作者简介：王欢(198S-,女，硕士研究生：唐萍(1962-，女，副教授Em时pn©c型edcn

第 32卷 第 6期 2010年 6月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.6 Jun.2010 含铝 TRIP钢结晶器保护渣黏度特性 王 欢 唐 萍 文光华 于 雄 重庆大学材料科学与工程学院, 重庆 400044 摘 要 含铝 TRIP钢钢液中 Al易与结晶器保护渣中的 SiO2 发生氧化-还原反应, 使其保护渣中 Al2O3 的质量分数由 3%快 速增加到 30%左右, w(Al2O3)/w(SiO2)由 0.10增加到 1.44, 导致黏度发生大的波动.研究了 Al2O3 含量和 w(Al2O3)/w(SiO2)对含铝 TRIP钢保护渣黏度的影响, 建立了高 Al2O3 含量保护渣系黏度的计算模型.结果表明:随着 Al2O3 质量分数由 3%增加到 17%, 综合碱度 R<1的保护渣黏度先增大再减小, 而 R≥1的保护渣黏度变化较小;随着 Al2O3 质量分数由 17%增加到 30%, 保护渣的黏度快速增大;随着 w(Al2O3)/w(SiO2)的增大, Al--TRIP钢保护渣的黏度呈现先快速减小而后迅速增大的趋势. 关键词 TRIP钢;结晶器保护渣;氧化铝;黏度 分类号 TF777.1 ViscositycharacteristicofmoldfluxesforTRIPsteelcontainingAl WANGHuan, TANGPing, WENGuang-hua, YUXiong CollegeofMaterialsScienceandEngineering, ChongqingUniversity, Chongqing400044, China ABSTRACT Theoxidation-reductionreactioncaneasilyhappenbetweenAlcontainedinliquidsteelandSiO2componentinmoldflu￾xesduringcontinuouscastingofTRIPsteelcontainingAl.Asaresult, theAl2O3 componentsharplyincreasesfrom3% to30%, and thew(Al2O3)/w(SiO2)ratiosimultaneouslyascendsfrom0.10 to1.44, sotheviscositycouldhaveabiggerfluctuationaccordingly.The effectsofAl2O3 contentandw(Al2O3)/w(SiO2)ratioontheviscosityofmoldslagswereinvestigatedforproducingTRIPsteelcontaining Al.AmodelwasbuilttopredicttheviscosityofthehighAl2O3 slagsystem.Theresultsindicatethatwhenthecomprehensivebasicity islessthan1, theviscosityofmoldfluxesinitiallyrisesandthenreducesagainwithincreasingtheAl2O3contentfrom3% to17%, but itchangesslightlywhenthebasicityisgreaterthan1.TheviscosityofmoldfluxesdramaticallyriseswhentheAl2O3 contentchanges from17% to30%.Withincreasingw(Al2O3)/w(SiO2)ratio, theviscosityofmoldfluxesforTRIPsteelcontainingAlinitiallyreducesand thenabruptlyrises. KEYWORDS TRIPsteel;moldflux;alumina;viscosity 收稿日期:2009--07--06 基金项目:教育部留学回国人员科研启动基金资助项目(No.(2008)890--7) 作者简介:王 欢(1985— ), 女, 硕士研究生;唐 萍(1962— ), 女, 副教授, E-mail:tping@cqu.edu.cn 相变诱发塑性 (transformationinducedplasticity steel, TRIP)钢兼有高强度和高延展性 ,在汽车工业 领域具有广阔的应用前景 , 是新一代先进的高强度 钢 (advancedhigh-strengthsheetsteel, AHSS) [ 1--2] . 将 Al加入 TRIP钢中部分取代单质 Si,形成 Al质量 分数 0.5% ～ 3%的 TRIP钢 (Al--TRIP钢 ), 其中 Al 比单质 Si更能够有效地抑制贝氏体相变过程中渗 碳体的析出 ,增强 TRIP效应并细化晶粒, 还可改善 TRIP钢的表面镀锌性能 [ 3--4] . 典型 Al--TRIP钢中 Al的质量分数高达 1%,浇 铸时钢液中的 Al和结晶器保护渣中的 SiO2 在钢渣 界面易发生氧化 --还原反应 ,且当钢渣界面温度为 1 773 K时反应驱动力很 大 (ΔG ○— =-484 880 J· mol -1 ).Wang等 [ 5] 研究了一种常规结晶器保护渣 浇注 Al--TRIP钢 10 min时化学成分的变化情况, 指 出钢渣间的氧化--还原反应使保护渣中 SiO2 的质量 分数由 36.2%被大量消耗至 19.9%, 保护渣的碱度 由 0.55增大到 1.11, 同时保护渣中 Al2 O3 的质量分 数迅速从 3%增加到近 30%, w(Al2O3) /w(SiO2)相应由 0.10增加到 1.44.保护渣成分的改变必然导致其 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.06.007

。726° 北京科技大学学报 第32卷 黏度发生变化. 要解决目前A上RP钢浇注时存在的困难，需 保护渣黏度对铸坯质量和连铸工艺的顺行 要对当前使用的保护渣进一步认识，但目前在高 具有重要意义.AO是典型的两性氧化物，对 A)Q含量渣系中，AQ对黏度的作用依然空白， 保护渣黏度的影响复杂6-7，但在研究A!Q对 于是本实验首先研究AQ对高A1O含量（质量 保护渣黏度影响的文献中，A!Q的质量分数均 分数最高为30%)渣系黏度的影响，继而模拟研究 未超过20%.Shahbazian等9研究了AQ对 AkRP钢浇铸过程中其保护渣黏度随WA,9)/ C0-“FO”-S0-C渣系黏度(1441℃)的影 ws迎增加的变化规律为ATRP的改进和设计 响：结果表明，A!Q的质量分数由2%增加到 工作提供参考. 15%,保护渣黏度相应由0.39Pa弹调增加到 0.70Ps另有学者指出，单纯增加渣中 1实验材料和方法 A】Q含量对保护渣1300℃时的黏度影响较大， 1.1实验渣系成分确定 若以等量A!Q取代SO,则对保护渣黏度的影 为得到与A上TRP钢浇铸现场情况较为接近 响较小.Zhang和Weio研究10.0%CQ 的实验数据，本实验以W给出的A上TRP钢保 12.0%N4Q2.0%LiQ1.5%Mg01.5% 护渣成分为依据，将实验渣系分为A~G七组，综合 MO和22.0%C蛋渣系中WA9)/WsD,)对 碱度Ig(R=-[Wc0十(Wc)78)X56]/Ys） A上TR钢保护渣黏度(12001300和1400℃) 选择在0.55~1.15AQ的质量分数确定在3%~ 的影响后得出，当Yy9/s从006增加到214 309%,渣系YA0)/s0从0.07逐次增加到1.46 保护渣的黏度单调上升，且Y9)/Ys)>057后， 具体渣成分如表1所示，本实验渣样均以化学纯物 黏度增幅明显 质配制. 表1实验用保护渣的化学成分（质量分数） Tab le1 Chemical composition of expermenlmold fluxes 质量分数% 组别 编号 WA49)/ s0 C AJQ M F广 NaO MnO LiO w(s0) 45.94 1053 3 1.5 10 10 65 007 055 4189 1458 1.5 10 10 65 007 00 3849 1798 15 10 10 65 2 008 085 4 3561 2087 3 1.5 10 10 65 008 1.00 5 3312 2335 3 1.5 10 10 65 2 009 1.15 4460 987 1.5 10 10 65 011 055 4071 1376 1.5 10 10 65 2 012 00 37.41 1706 5 1.5 10 10 65 2 013 085 3461 1987 5 1.5 10 10 65 014 1.0 5 3219 2228 1.5 10 10 65 2 016 1.15 41.43 805 10 1.5 10 o 65 024 055 37.77 1170 10 1.5 10 65 026 00 3471 1477 10 1.5 10 65 029 085 3211 1737 10 1.5 10 10 65 031 1.00 29.87 1961 10 1.5 10 10 65 033 1.15 382 627 15 1.5 10 10 65 039 055 3483 964 15 1.5 10 10 65 043 00 3 3201 1247 15 1.5 10 10 65 2 047 085 4 29.61 1487 15 15 10 10 65 2 051 1.00 5 27.54 1693 15 15 10 10 65 2 054 1.15

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 黏度发生变化. 保护渣黏度对铸坯质量和连铸工艺的顺行 具有重要意义 .Al2 O3 是典型的两性氧化物 , 对 保护渣黏度的影响复杂 [ 6--7] , 但在研究 Al2 O3 对 保护渣黏度影响的文献中 , Al2 O3 的质量分数均 未 超过 20%.Shahbazian等 [ 8] 研究 了 Al2 O3 对 CaO--“ FeO” --SiO2 --CaF2渣系黏度 (1 441 ℃)的影 响 ;结果表明 , Al2 O3 的 质量分数 由 2%增 加到 15%, 保护渣黏度相应由 0.39 Pa·s单调增加到 0.70 Pa· s.另 有 学者 指 出 [ 9] , 单纯 增 加 渣 中 Al2 O3 含量对保护渣 1 300 ℃时的黏度影响较大 , 若以等量 Al2 O3 取代 SiO2 , 则对保护渣黏度的影 响 较 小 .Zhang和 Wen [ 10] 研 究 10.0% CaO、 12.0% Na2 O、 2.0% Li2O、 1.5% MgO、 1.5% MnO和 22.0% CaF2 渣 系 中 w(Al2O3) /w(SiO2)对 Al--TRIP钢保护渣黏度 (1 200, 1 300和 1 400 ℃) 的影响后得出,当 w(Al2O3)/w(SiO2)从 0.06增加到 2.14, 保护渣的黏度单调上升,且 w(Al2 O3 )/w(SiO2 ) >0.57后 , 黏度增幅明显. 要解决目前 Al--TRIP钢浇注时存在的困难, 需 要对当前使用的保护渣进一步认识 , 但目前在高 Al2 O3 含量渣系中, Al2 O3 对黏度的作用依然空白, 于是本实验首先研究 Al2 O3 对高 Al2O3 含量 (质量 分数最高为 30%)渣系黏度的影响, 继而模拟研究 Al--TRIP钢浇铸过程中其保护渣黏度随 w(Al2O3)/ w(SiO2 )增加的变化规律, 为 Al--TRIP的改进和设计 工作提供参考 . 1 实验材料和方法 1.1 实验渣系成分确定 为得到与 Al--TRIP钢浇铸现场情况较为接近 的实验数据 ,本实验以 Wang给出的 Al--TRIP钢保 护渣成分为依据,将实验渣系分为 A～ G七组 ,综合 碱度 [ 10] (R=[ w(CaO) +(w(CaF2) /78)×56] /w(SiO2)) 选择在 0.55 ～ 1.15, Al2O3 的质量分数确定在 3% ～ 30%,渣系 w(Al2O3) /w(SiO2)从 0.07逐次增加到 1.46, 具体渣成分如表 1所示, 本实验渣样均以化学纯物 质配制. 表 1 实验用保护渣的化学成分(质量分数) Table1 Chemicalcompositionofexperimentalmoldfluxes 组别 编号 质量分数 /% SiO2 CaO Al2 O3 MgO F- Na2 O MnO Li2O w(Al2O3)/ w(SiO2) R A 1 45.94 10.53 3 1.5 10 10 6.5 2 0.07 0.55 2 41.89 14.58 3 1.5 10 10 6.5 2 0.07 0.70 3 38.49 17.98 3 1.5 10 10 6.5 2 0.08 0.85 4 35.61 20.87 3 1.5 10 10 6.5 2 0.08 1.00 5 33.12 23.35 3 1.5 10 10 6.5 2 0.09 1.15 B 1 44.60 9.87 5 1.5 10 10 6.5 2 0.11 0.55 2 40.71 13.76 5 1.5 10 10 6.5 2 0.12 0.70 3 37.41 17.06 5 1.5 10 10 6.5 2 0.13 0.85 4 34.61 19.87 5 1.5 10 10 6.5 2 0.14 1.00 5 32.19 22.28 5 1.5 10 10 6.5 2 0.16 1.15 C 1 41.43 8.05 10 1.5 10 10 6.5 2 0.24 0.55 2 37.77 11.70 10 1.5 10 10 6.5 2 0.26 0.70 3 34.71 14.77 10 1.5 10 10 6.5 2 0.29 0.85 4 32.11 17.37 10 1.5 10 10 6.5 2 0.31 1.00 5 29.87 19.61 10 1.5 10 10 6.5 2 0.33 1.15 D 1 38.2 6.27 15 1.5 10 10 6.5 2 0.39 0.55 2 34.83 9.64 15 1.5 10 10 6.5 2 0.43 0.70 3 32.01 12.47 15 1.5 10 10 6.5 2 0.47 0.85 4 29.61 14.87 15 1.5 10 10 6.5 2 0.51 1.00 5 27.54 16.93 15 1.5 10 10 6.5 2 0.54 1.15 · 726·

第6期 王欢等：含铝TRP钢结晶器保护渣黏度特性 ·727° 续表1 质量分数% WA4)/ 组别 编号 R SO Cao A]O M Na O MrO LiO w(s0) 3497 450 20 1.5 10 10 65 057 055 31.89 7.59 20 1.5 10 10 65 2 063 00 E 29.30 10.17 场 1.5 10 10 65 068 085 4 27.11 1237 20 1.5 10 10 65 2 074 1.00 5 2521 1426 20 1.5 10 10 65 079 1.15 3175 272 25 1.5 10 10 65 2 079 055 2 2895 5.53 25 1.5 10 10 65 2 086 0刀 2660 7.87 25 1.5 10 10 65 2 094 085 2461 9.87 25 1.5 10 10 65 32 1.02 1.00 2289 11.59 25 15 10 10 65 1.09 1.15 2852 095 30 1.5 10 10 65 L.05 055 2601 347 30 1.5 10 10 65 1.15 00 3 2390 5.58 30 1.5 lo 10 65 1.26 Q85 2211 7.37 30 1.5 10 10 65 2 1.36 1.00 5 2056 891 30 15 10 10 65 2 1.46 1.15 1.2实验方法 式中，7为保护渣黏度，Pa§E为黏性活化能 保护渣的黏度采用柱体旋转黏度计进行测量， kmoT;R为摩尔气体常量：T为热力学温度，KB 如图1所示.实验在M⑤高温炉内进行，高温炉 为频率因子.由黏度温度曲线的斜率可求得保护 底部采用Pt10Rh/P热电偶控温. 渣的黏性活化能 黏度计 2实验结果与讨论 2.1A!O含量对A上TRP钢保护渣黏度的影响 耐火材料 A!Q含量对实验渣系黏度的影响如图2所 石墨测头 示.从图中可以看出：当A!Q质量分数由3%增加 发热器 到1%时，碱度R1的保护渣的黏度随之先增大 液渣 铝制炉管 再减小，B1的保护渣黏度变化不大：当A)Q的 质量分数由1%增加到30%时，保护渣的黏度随之 热电偶铝制套管 快速增大. 图1旋转黏度计示意图 Fg Ske tch map of rotating viscosm erer A:R=0.55 08 B:K=0.70 炉温升至1200℃时开始预热石墨坩埚，温度再 CR=0.85 0.6 DR=1.00 次升至12000时，将250经过碾磨、过筛的粉状保 R=115 护渣加入坩埚，并将炉温升至1400℃保温10m识 0.4 ● 以保证试样完全溶解充分搅拌后逐步冷却，在 1300℃时恒温测量各保护渣的黏度.计算机每次 0.2 自动采集连续20个标准偏差不大于0005Pa的 黏度数据，取平均值作为保护渣的黏度，保证最终黏 48121620242832 A山，0，的质量分数保 度误差小于0.015Pas 图2黏度随A,Q3含量的变化 当保护渣完全熔化后将炉温升至1400℃，按照 Fig 2 Variation of viscosit with AlO contet 3℃。m订'的降温速率连续测定黏度，得到黏度温 度曲线.在高温线性变化区，黏度与温度之间关系 A!Q在熔渣中是典型的两性化合物，对黏度 遵循Ahmu方程： 的影响较复杂1.在1300℃的高温硅酸盐熔体中 存在[AD]二四面体、【AD]八面体和自由态 (1) (的反应平衡：

第 6期 王 欢等:含铝 TRIP钢结晶器保护渣黏度特性 续表 1 组别 编号 质量分数 /% SiO2 CaO Al2 O3 MgO F- Na2 O MnO Li2O w(Al2O3)/ w(SiO2) R E 1 34.97 4.50 20 1.5 10 10 6.5 2 0.57 0.55 2 31.89 7.59 20 1.5 10 10 6.5 2 0.63 0.70 3 29.30 10.17 20 1.5 10 10 6.5 2 0.68 0.85 4 27.11 12.37 20 1.5 10 10 6.5 2 0.74 1.00 5 25.21 14.26 20 1.5 10 10 6.5 2 0.79 1.15 F 1 31.75 2.72 25 1.5 10 10 6.5 2 0.79 0.55 2 28.95 5.53 25 1.5 10 10 6.5 2 0.86 0.70 3 26.60 7.87 25 1.5 10 10 6.5 2 0.94 0.85 4 24.61 9.87 25 1.5 10 10 6.5 2 1.02 1.00 5 22.89 11.59 25 1.5 10 10 6.5 2 1.09 1.15 G 1 28.52 0.95 30 1.5 10 10 6.5 2 1.05 0.55 2 26.01 3.47 30 1.5 10 10 6.5 2 1.15 0.70 3 23.90 5.58 30 1.5 10 10 6.5 2 1.26 0.85 4 22.11 7.37 30 1.5 10 10 6.5 2 1.36 1.00 5 20.56 8.91 30 1.5 10 10 6.5 2 1.46 1.15 1.2 实验方法 保护渣的黏度采用柱体旋转黏度计进行测量 , 如图 1所示 .实验在 MoSi2 高温炉内进行, 高温炉 底部采用 Pt--10Rh/Pt热电偶控温 . 图 1 旋转黏度计示意图 Fig.1 Sketchmapofrotatingviscosimeter 炉温升至 1200℃时开始预热石墨坩埚,温度再 次升至 1 200 ℃时 ,将 250g经过碾磨 、过筛的粉状保 护渣加入坩埚, 并将炉温升至 1 400 ℃保温 10 min, 以保证试样完全溶解, 充分搅拌后逐步冷却 , 在 1 300℃时恒温测量各保护渣的黏度.计算机每次 自动采集连续 20个标准偏差不大于 0.005 Pa·s的 黏度数据,取平均值作为保护渣的黏度,保证最终黏 度误差小于 0.015 Pa·s. 当保护渣完全熔化后将炉温升至 1400℃,按照 3 ℃·min -1的降温速率连续测定黏度 , 得到黏度--温 度曲线 .在高温线性变化区 , 黏度与温度之间关系 遵循 Arrhenius方程: lnη= E RT +lnB (1) 式中, η为保护渣黏度 , Pa· s;E为黏性活化能, kJ·mol -1;R为摩尔气体常量;T为热力学温度 , K;B 为频率因子.由黏度--温度曲线的斜率可求得保护 渣的黏性活化能. 2 实验结果与讨论 2.1 Al2O3 含量对 Al--TRIP钢保护渣黏度的影响 Al2 O3 含量对实验渣系黏度的影响如图 2 所 示.从图中可以看出:当 Al2 O3 质量分数由 3%增加 到 17%时,碱度 R<1的保护渣的黏度随之先增大 再减小, R≥1的保护渣黏度变化不大 ;当 Al2 O3 的 质量分数由 17%增加到 30%时 ,保护渣的黏度随之 快速增大 . 图 2 黏度随 Al2O3 含量的变化 Fig.2 VariationofviscositywithAl2O3content Al2 O3 在熔渣中是典型的两性化合物, 对黏度 的影响较复杂 [ 11] .在 1 300 ℃的高温硅酸盐熔体中 存在 [ AlO4 ] 5 -四面体、[ AlO6 ] 9 -八面体和自由态 O 2 -的反应平衡: · 727·

。728· 北京科技大学学报 第32卷 A0+20-名A10g 于实测黏度，F~G组保护渣计算黏度与实测黏度间 (2) 也存在较大偏差. 式中，【AQ]广四面体为一种网络形成体在熔渣中易 1.5 形成体积较大的网路体，使熔渣黏度增大：[A口]八 1.2 面体为一种网络修饰体，可以破坏[AQ]广四面体及 其他复杂网络结构使熔体黏度降低网. 在R1的熔渣体系中，当A!Q的质量分数 <10%时，A计取代S作为网络形成子形成 03 。 [AD]广四面体，从而使保护渣的黏度随AQ含 量的增加而增加，在10%~17%范围内继续增加 0 0.30.60.91.21.5 计算结度· A!Q的质量分数时，钢渣间的氧化还原反应使保 15 护渣碱度不断增大，熔渣中逐渐达到过饱和状 1.2 态，使反应(2)向右进行，溶液中产生大量的 [ADQ]八面体，导致黏度下降：在≥1、A1O的 叶 量ao 质量分数<17%的碱性熔体中，虽然A!Q呈现酸 性，但大量存在的抑制黏度的增大，故黏度变化 较小：在A!Q质量分数从17%继续增加到30%的 0.30.60.91215 过程中，熔体中的[A口]”八面体逐渐达到饱和， 计算黏度Pa·s) 图3Rbau模型计算黏度与实测黏度值比较.(a)A~E组： 使反应(2向左进行，大量的[AQ]一四面体形成， (b)F-G组 导致黏度急剧增加 Fg3 Conparison of ca lulated viscosit with measured dama for the 2.2高AQ含量保护渣的黏度预测模型 Rboud mode](a)Group A (b)Gooup F toG 根据保护渣熔体成分的不同，很多学者2-1通 为更准确地模拟计算高A)Q含量保护渣的黏 过不同的方法建立了不同类型的黏度计算模型，其 度，以渣系实测黏度为依据对Rbou模型中AB 中R iboud模型是广泛应用的黏度计算模型，其适用 数进行了优化，得到新的高A!Q含量的保护渣黏 的保护渣化学成分范围为33%<W<5%、 度计算模型，表达式为： 12%<Y<459%、0K%49<209%、0K0<20% n=A'Texp B (4) 和0K呢车，<20%，表达式如下： 1=AT B A=e9-17.51-9.163(X0+XMo+X0)+ (3) 0.123X死-0094Xo十 =exP-17.51+1.73X0十5.82XE,+ 0.193X4o-16.832X0,], 7.02X30-33.76X19 B=4006.431+52L.99(X0+Xo+X0)+ B=ER=31140-23896X0-46356XE,- 82200.242X5+39.263X0+ 39159X0+68833X19 96914X0+16306262X9 式中，T为热力学温度，KA为组分摩尔分数的函 修改后模型的适用范围为20%<。<46%、 数，PasK；B为组分摩尔分数的函数KE为黏 12%<Y040+M<45%、39%<%9<30%、 流活化能k于moT;R为摩尔气体常量；X为液渣 89%<Ko<12%、0K%0<49%和8%<s< 中不同组分的摩尔分数. 12%.利用改进后的模型计算实验渣系黏度，与实 本实验渣系相对于Rb模型添加了少量的 测黏度值比较，结果如图4所示.可见改进后模型 M8O和MO且A~E组保护渣成分基本处于 计算黏度与实测黏度吻合度好，用于高A!9含量 Rbou模型成分范围内，但F~G组保护渣中A!g 渣系可得到更准确的黏度值. 含量超出R iboud模型成分范围.利用Rbou模型 23WA!9/WsD,对A上TRP钢保护渣黏度的 计算A~组和F~G组保护渣的黏度，并与实测值 影响 分别比较，结果如图3()和(b)所示.可见用 实验渣系中的A、B、C2.D2.EB和G5七 Rbou模型计算A~E组保护渣黏度，结果普遍小 种渣.WC0与WAg+sD)基本不变而Ya9)/

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 式中, [ AlO4 ] 5 -四面体为一种网络形成体,在熔渣中易 形成体积较大的网络体,使熔渣黏度增大;[ AlO6 ] 9 -八 面体为一种网络修饰体,可以破坏[ AlO4 ] 5 -四面体及 其他复杂网络结构,使熔体黏度降低 [ 8] . 在 R<1 的熔渣体系中, 当 Al2O3 的质量分数 <10%时, Al 3 + 取代 Si 4 +作 为网络 形成 子形成 [ AlO4 ] 5 -四面体 , 从而使保护渣的黏度随 Al2 O3 含 量的增加而增加, 在 10% ～ 17%范围内继续增加 Al2O3 的质量分数时 ,钢渣间的氧化--还原反应使保 护渣碱度不断增大, 熔渣中 O 2 -逐渐达到过饱和状 态 ,使反 应 (2)向 右 进行 , 溶 液 中 产生 大 量的 [ AlO6 ] 9 -八面体 ,导致黏度下降 ;在 R≥1、Al2O3 的 质量分数 <17%的碱性熔体中, 虽然 Al2O3 呈现酸 性 ,但大量存在的 O 2 -抑制黏度的增大, 故黏度变化 较小;在 Al2O3 质量分数从 17%继续增加到 30%的 过程中 , 熔体中的 [ AlO6 ] 9 -八面体逐渐达到饱和 , 使反应 (2)向左进行, 大量的 [ AlO4 ] 5 -四面体形成 , 导致黏度急剧增加. 2.2 高 Al2 O3 含量保护渣的黏度预测模型 根据保护渣熔体成分的不同 , 很多学者 [ 12--13]通 过不同的方法建立了不同类型的黏度计算模型 ,其 中 Riboud模型是广泛应用的黏度计算模型 ,其适用 的保护 渣化学成 分范围 为 33% <wSiO2 <56%、 12% <wCaO <45%、0 <wAl2O3 <20%、0 <wNa2O <20% 和 0 <wCaF2 <20%, 表达式如下 [ 14] : η=ATexp B T (3) A=exp(-17.51 +1.73XCaO +5.82XCaF2 + 7.02XNa2O -33.76XAl2O3), B=E/R=31 140 -23 896XCaO -46 356XCaF2 - 39 159XNa2 O +68 833XAl2 O3 . 式中, T为热力学温度, K;A为组分摩尔分数的函 数 , Pa·s·K -1;B为组分摩尔分数的函数, K;E为黏 流活化能, kJ·mol -1 ;R为摩尔气体常量;X为液渣 中不同组分的摩尔分数. 本实验渣系相对于 Riboud模型添加了少量的 MgO和 MnO, 且 A～ E组保护渣成分基本处于 Riboud模型成分范围内 ,但 F～ G组保护渣中 Al2 O3 含量超出 Riboud模型成分范围 .利用 Riboud模型 计算 A～ E组和 F～ G组保护渣的黏度,并与实测值 分别比较 , 结果如图 3(a)和 (b)所示 .可见用 Riboud模型计算 A～ E组保护渣黏度 ,结果普遍小 于实测黏度, F～ G组保护渣计算黏度与实测黏度间 也存在较大偏差. 图 3 Riboud模型计算黏度与实测黏度值比较.(a)A～ E组; (b)F～ G组 Fig.3 Comparisonofcalculatedviscositywithmeasureddataforthe Riboudmodel:(a)GroupAtoE;(b)GroupFtoG 为更准确地模拟计算高 Al2 O3 含量保护渣的黏 度, 以渣系实测黏度为依据对 Riboud模型中 A、B参 数进行了优化 ,得到新的高 Al2 O3 含量的保护渣黏 度计算模型,表达式为: η=A′Texp B′ T (4) A′=exp[ -17.51 -9.163(XCaO +XMnO +XMgO)+ 0.123XCaF2 -0.094XNa2 O + 0.193XLi2O -16.832XAl2O3 ] , B′=4 006.431 +521.99(XCaO +XMnO +XMgO)+ 82 200.242XCaF2 +39.263XNa2 O + 96.914XLi2O +16306.262XAl2O3. 修改后模型的适用范围为 20% <wSiO2 <46%、 12% <wCaO+MnO+MgO <45%、 3% <wAl2O3 <30%、 8% <wNa2 O <12%、 0 <wLi2 O <4%和 8% <wCaF2 < 12%.利用改进后的模型计算实验渣系黏度, 与实 测黏度值比较 ,结果如图 4所示 .可见改进后模型 计算黏度与实测黏度吻合度好, 用于高 Al2 O3 含量 渣系可得到更准确的黏度值 . 2.3 w(Al2O3) /w(SiO2)对 Al--TRIP钢保护渣黏度的 影响 实验渣系中的 A1、B1、C2、D2、E3、F3 和 G5七 种渣, w(CaO)与 w(Al2O3 +SiO2)基本不 变, 而 w(Al2O3)/ · 728·

第6期 王欢等：含铝TRP钢结晶器保护渣黏度特性 。729° 1.5 3结论 1.2 (1)当A1O的质量分数由3%增加到17% 0.9 时，R1的保护渣黏度先增大再减小，≥1的保护 0.6 渣黏度变化较小；当A)O的质量分数由17%增加 0.3 到30%时，保护渣的黏度随之快速增大. (2)对RbQu模型参数进行了修改，得到适用 0.3 0.6091215 计算黏度Pas) 于高A!Q含量渣系的新黏度模型. 图4修改后模型计算黏度与实测黏度值比较 (3)模拟了A上TRP钢保护渣黏度的变化，结 Fg4 Comparison of cakulated viscosit with measured da for he 果显示随W9)/心sD)的增大保护渣黏度呈现先 amended model 快速减小而后迅速增大的趋势 WsO,依次增大，与A上TRP钢浇注过程中保护渣 参考文献 的成分变化呈对应关系，于是用此组渣模拟 【刂De Cooman BC Sticu思-Propenies rek tionship n TRIP stee啡 A上R钢浇注过程中保护渣的不同状态，以研究 containing cabde free ba nite Cumopn olid StateMater Sci 20048(3/4,285 A上TR钢保护渣黏度的变化特征. 2 Zhang Y H Ma Y L K angY L.Mechanical Properties and mi 图5为A上TRP钢保护渣黏度和黏性活化能随 crostructure ofTR P steels Poduiced using TSR Process J Univ 9)/s增大的变化趋势.从图中可以看出， SciTechnol Beijing 2006 13(5):416 [3 De MeerM Vanderschueren D De ComanBC The nfluence 在本实验条件下，随AO,)/WsO)的增大，A上TRP of the substitution of Si by Al on the properties of ooH oolled C 钢保护渣的黏性活化能呈现先减小而后迅速增大的 MnSiTRIP stee ISU ht 1999 39(8):813 4 SuhDW Park SJ Oh CS Influence ofpartal replcem entofSi 趋势，均匀性熔渣的黏度取决于质点移动的黏性活 byA I an the change of Phase fractin durng heat treament of 化能故黏度同样先快速减小而后迅速增大.A!Q TR P steels ScrPa Mate 2007 57(12):1097 是两性氧化物，在不同性质的保护渣中表现不同的 [5]Wargw L Bkzekk CranbA A sudy of the crysmllization be hav jor of a new mol fux used in the casting of transfomation in 酸碱性质.当YA19)/Ws0较小时，实验渣系处于 ducedplasticity steels Metal lMater Trans B 2008 39(1)66 酸性区，其中的AQ呈现碱性，随WA9/Ys0,增 NakanoT KishiT KoyamaK Mol powder technopgy for con 大，S￠不断解体，离子移动时所需的活化能即逐 tinucus casting of akminm-killed steel ISU nt 1984 12 (11,950 渐减小，宏观表现为保护渣黏度减小；当AO,)/ Sridhar S MillsK C Mallaband ST Powder consumption and 《s,继续增大，渣系逐渐过渡到碱性区域，其中显 meltng mates of cotnuous castng fuxes Iramak ng Steemak ng200229(3).194 酸性的A!Q取代S①成为主要的络离子形成物， [8]Shabbazin F Sichen D Seetharaa The effectofadditin of 不断形成[AQ],故随wA,9)/s增大，保护 AlO,an he viscosit ofCa FoSO-C shs ISU ht 渣的黏性活化能和黏度增大. 2002,42(2):155 0.50r 160 [9]KoyamaK Characeristic desgn ofmol fluxey Collected Tmns 0 ton Woks of Steel 1989 15 黏度 ·黏性活化能 (小山邦夫.连铸保护渣的特性设计∥钢铁译文集198915) 0.45o [10 Zharg ZT Wen GH.The infuerce ofAlO/SO mto an he viscosity ofmol furxes ISU nt 2008 48(6):736 三0.40叶· [11]HuangX H FerousMaalugical Prncpe 3 dEd Beijng Meta llugical hdustrial Press 2006 (黄希祜.钢铁治金原理.3版.北京：治金工业出版社 0.35◆ 2006) 12]RiloudPV Rax Y Lucas LD et al mppvment of ontin 0.30 0 ous casting povders Fachber Huttenprax Metalveiterverarb 0 0.4 0.8 12 1.6 198119(82859 13 Mills K C Silhar Viscosities of iormaking and stee making 图5”A,/Wm,对A上R钢保护渣黏度及黏性活化能的 skgs Iromaking Steemaking 1999 26(4):261 [14 Chi JH Ga Y N Continuous Casting MouH Fjxes Sheny 影响 ang Norheastem Un iversity Pes 1993 Fg5 Effect ofw(lo )t a he viscosity ad visoous G迟景灏。甘永年.连铸保护渣.沈阳：东北大学出版社。 flw ac tiva tion ene gy ofmol fuxes fr TRP steel containing Al 1993)

第 6期 王 欢等:含铝 TRIP钢结晶器保护渣黏度特性 图 4 修改后模型计算黏度与实测黏度值比较 Fig.4 Comparisonofcalculatedviscositywithmeasureddataforthe amendedmodel w(SiO2)依次增大, 与 Al--TRIP钢浇注过程中保护渣 的成 分 变化 呈 对 应关 系 , 于 是用 此 组 渣 模拟 Al--TRIP钢浇注过程中保护渣的不同状态, 以研究 Al--TRIP钢保护渣黏度的变化特征 . 图 5 w(Al2O3)/w(SiO2)对 Al-TRIP钢保护渣黏度及黏性活化能的 影响 Fig.5 Effectofw(Al2O3 )/w(SiO2) ratioontheviscosityandviscous flowactivationenergyofmoldfluxesforTRIPsteelcontainingAl 图 5为 Al--TRIP钢保护渣黏度和黏性活化能随 w(Al2 O3 ) /w(SiO2 )增大的变化趋势 .从图中可以看出 , 在本实验条件下 ,随 w(Al2O3) /w(SiO2)的增大 , Al--TRIP 钢保护渣的黏性活化能呈现先减小而后迅速增大的 趋势, 均匀性熔渣的黏度取决于质点移动的黏性活 化能, 故黏度同样先快速减小而后迅速增大 .Al2 O3 是两性氧化物,在不同性质的保护渣中表现不同的 酸碱性质.当 w(Al2O3)/w(SiO2)较小时, 实验渣系处于 酸性区 ,其中的 Al2 O3 呈现碱性 ,随 w(Al2 O3 )/w(SiO2 )增 大 , SixO z- y 不断解体 ,离子移动时所需的活化能即逐 渐减小 , 宏观表现为保护渣黏度减小 ;当 w(Al2O3) / w(SiO2 )继续增大 ,渣系逐渐过渡到碱性区域 , 其中显 酸性的 Al2O3 取代 SiO2 成为主要的络离子形成物 , 不断形成 [ AlO4 ] 5 - , 故随 w(Al2O3)/w(SiO2)增大, 保护 渣的黏性活化能和黏度增大. 3 结论 (1)当 Al2O3 的质量分数由 3%增加到 17% 时, R<1的保护渣黏度先增大再减小, R≥1的保护 渣黏度变化较小;当 Al2 O3 的质量分数由 17%增加 到 30%时,保护渣的黏度随之快速增大. (2)对 Riboud模型参数进行了修改, 得到适用 于高 Al2O3 含量渣系的新黏度模型 . (3)模拟了 Al--TRIP钢保护渣黏度的变化, 结 果显示随 w(Al2 O3 ) /w(SiO2 )的增大, 保护渣黏度呈现先 快速减小而后迅速增大的趋势. 参 考 文 献 [ 1] DeCoomanBC.Structure-propertiesrelationshipinTRIPsteels containingcarbide-freebainite.CurrOpinSolidStateMaterSci, 2004, 8(3 /4):285 [ 2] ZhangYH, MaYL, KangYL.Mechanicalpropertiesandmi￾crostructureofTRIPsteelsproducedusingTSCRprocess.JUniv SciTechnolBeijing, 2006, 13(5):416 [ 3] DeMeyerM, VanderschuerenD, DeCoomanBC.Theinfluence ofthesubstitutionofSibyAlonthepropertiesofcoldrolledC￾Mn-SiTRIPsteels.ISIJInt, 1999, 39(8):813 [ 4] SuhDW, ParkSJ, OhCS.InfluenceofpartialreplacementofSi byAlonthechangeofphasefractionduringheattreatmentof TRIPsteels.ScriptaMater, 2007, 57(12):1097 [ 5] WangWL, BlazekK, CrambA.Astudyofthecrystallizationbe￾haviorofanewmoldfluxusedinthecastingoftransformation-in￾duced-plasticitysteels.MetallMaterTransB, 2008, 39(1):66 [ 6] NakanoT, KishiT, KoyamaK.Moldpowdertechnologyforcon￾tinuouscastingofaluminum-killedsteel.ISIJInt, 1984, 12 (11):950 [ 7] SridharS, MillsKC, MallabandST.Powderconsumptionand meltingratesofcontinuouscastingfluxes.IronmakingSteelmak￾ing, 2002, 29(3):194 [ 8] ShahbazianF, SichenD, SeetharamanS.Theeffectofadditionof Al2O3 ontheviscosityofCaO-“FeO” -SiO2-CaF2 slags.ISIJInt, 2002 , 42(2):155 [ 9] KoyamaK.Characteristicdesignofmoldfluxes∥ CollectedTrans￾lationWorksofSteel, 1989:15 (小山邦夫.连铸保护渣的特性设计∥钢铁译文集, 1989:15) [ 10] ZhangZT, WenGH.TheinfluenceofAl2O3 /SiO2 ratioonthe viscosityofmoldfluxes.ISIJInt, 2008, 48(6):736 [ 11] HuangXH.FerrousMetallurgicalPrinciple.3rdEd.Beijing: MetallurgicalIndustrialPress, 2006 (黄希祜.钢铁冶金原理.3 版.北京:冶金工业出版社, 2006) [ 12] RiboudPV, RouxY, LucasLD, etal.Improvementofcontinu￾ouscasting powders. FachberHuttenprax Metalveiterverarb, 1981, 19(8):859 [ 13] MillsKC, SridharS.Viscositiesofironmakingandsteelmaking slags.IronmakingSteelmaking, 1999, 26(4):261 [ 14] ChiJH, GanYN.ContinuousCastingMouldFluxes.Sheny￾ang:NortheasternUniversityPress, 1993 (迟景灏, 甘永年.连铸 保护渣.沈阳:东北大学出版社, 1993) · 729·