王举金等：卷渣类夹杂物在结晶器钢液中成分转变的动力学模型 ,787 time of the inclusions in the molten steel decreased with increases in the diameter of the inclusions and the pulling speed.There would be enough time for the small inclusions to transform into the compositions of defects once they are entrained into the molten steel.The average residence time of the large inclusions is less than the time required for the transformation,while the maximum residence time is much longer than the time required for the transformation,which indicates that some inclusions with larger size still have enough residence time to transform from the initial composition to the composition of defects. KEY WORDS slag inclusions;kinetic model;mold flux;line defect;tinplate 轧板表面缺陷是轧板质量问题的一个重要方 渣-钢耦合反应模型研究了渣脱硫的反应动力学 面，这些表面缺陷往往是由钢中的非金属夹杂物 Harada等0和Zhang等-将Robertson的模 导致的-).姜亚飞1研究了冷轧304不锈钢板中 型应用到精炼过程，研究了精炼过程夹杂物成分 线状缺陷的成分，发现了缺陷处存在由氧化铬、氧 的演变.这些研究表明耦合反应模型可以用于预 化铁组成的氧化膜和Mg、Al、Ca等元素，指出铬 测渣-钢反应过程中夹杂物成分的演变 的偏析和柱状晶生长过程捕捉的夹杂物是造成不 为了研究结晶器保护渣型夹杂物成分演变过 锈钢板线状缺陷的原因.深冲钢表面缺陷处存在 程，本文将耦合反应模型应用到卷渣类夹杂物和 大量氧化铝和TiO-Al2O3夹杂物，以及保护渣型 结晶器钢液的反应过程，建立了一个与保护渣原 卷渣类夹杂物肉武钢低碳热轧卷材产生表面缺陷 始成分一致的夹杂物和钢液反应的动力学模型， 的关键因素是保护渣的卷入高晓杰等采用示 并研究了卷渣类夹杂物的尺寸、在钢液中的停留 踪剂方法研究了SPHC钢中卷渣类夹杂物的来源， 时间、以及密度等因素对卷渣类夹杂物成分转变 指出卷渣类夹杂物主要来源于结晶器保护渣，精 的影响 炼渣和中间包覆盖剂的卷入是次要原因.这些研 1 镀锡板缺陷处的成分 究表明，虽然结晶器卷渣类夹杂物不是导致轧材 表面缺陷的唯一原因，但保护渣一经卷入钢液，通 选取镀锡板缺陷处的不同位置进行SEM-EDX 常会对轧材的表面质量产生恶劣的影响-0] 成分分析，元素含量如表1所示，这些位置均含有 在连续浇铸过程中，由于结晶器内流场的不 较高含量的F和Na元素，而F和Na元素是结晶 稳定性，很容易发生结晶器内的卷渣现象-渣 器保护渣的典型成分，结晶器保护渣的成分如表2 相被卷入钢液相后，形成卷渣类夹杂物，卷渣类夹 所示，可以判断缺陷来自于结晶器卷渣带入的大 杂物会在后续过程中持续与钢液发生反应.关于 颗粒夹杂物.将检测到的元素含量转换成化合物 结晶器卷渣类夹杂物的研究多数着眼于夹杂物的 含量，转换时不考虑Fe元素的含量，Ca元素的分 卷入机理-刃、夹杂物对轧材质量的影响，鲜有关 配遵循CaF2/Ca(0比值不变的原则，CaFz/CaO比值 于卷渣类夹杂物成分演变的研究.本文研究发现 取保护渣中CaF,CaO的比值.不考虑Fe元素的 缺陷处夹杂物的具体成分和结晶器保护渣原始成 含量是因为对缺陷处夹杂物进行EDX分析时，由 分有很大的差别，这表明保护渣被卷入钢中后发 于镀锡板缺陷处夹杂物厚度很薄，X射线很容易 生的成分转变是不可忽略的.卷渣类夹杂物与钢 穿透夹杂物层进入钢基体层，导致EDX分析得到 液的反应机理类似于渣-钢反应，区别在于前者的 成分含有一定量的Fe元素；此外，由于F元素属 反应比表面积远远大于后者.Ohguchi等刚基于 于轻质元素，因为所用电镜在分析轻质元素时的 表1镀锡板缺陷处不同位置元素含量（质量分数） Table 1 Chemical composition at different defect locations on the tinplate Position 0 F Na Mg Al Si Mn Fe P1 29.71 4.46 7.58 1.99 5.08 11.97 9.63 0.9 28.68 P2 29.81 4.93 6.36 2.79 3.94 12.78 13.59 1.64 24.15 P3 37.2 6.2 3.65 1.05 2.25 13.13 24.24 1.45 10.83 P4 19.21 7.15 3.13 3.16 0.69 11.72 18.61 1.1 35.23 P5 30.08 4.64 6.71 2.19 4.62 13.96 15.19 1.45 21.17 P6 32.38 7.27 6.33 3.09 5.54 14.61 12.09 1.29 17.06time of the inclusions in the molten steel decreased with increases in the diameter of the inclusions and the pulling speed. There would be enough time for the small inclusions to transform into the compositions of defects once they are entrained into the molten steel. The average residence time of the large inclusions is less than the time required for the transformation, while the maximum residence time is much  longer  than  the  time  required  for  the  transformation,  which  indicates  that  some  inclusions  with  larger  size  still  have  enough residence time to transform from the initial composition to the composition of defects. KEY WORDS    slag inclusions；kinetic model；mold flux；line defect；tinplate 轧板表面缺陷是轧板质量问题的一个重要方 面，这些表面缺陷往往是由钢中的非金属夹杂物 导致的[1−2] . 姜亚飞[3] 研究了冷轧 304 不锈钢板中 线状缺陷的成分，发现了缺陷处存在由氧化铬、氧 化铁组成的氧化膜和 Mg、Al、Ca 等元素，指出铬 的偏析和柱状晶生长过程捕捉的夹杂物是造成不 锈钢板线状缺陷的原因. 深冲钢表面缺陷处存在 大量氧化铝和 TiOx–Al2O3 夹杂物，以及保护渣型 卷渣类夹杂物[4] . 武钢低碳热轧卷材产生表面缺陷 的关键因素是保护渣的卷入[5] . 高晓杰等[6] 采用示 踪剂方法研究了 SPHC 钢中卷渣类夹杂物的来源， 指出卷渣类夹杂物主要来源于结晶器保护渣，精 炼渣和中间包覆盖剂的卷入是次要原因. 这些研 究表明，虽然结晶器卷渣类夹杂物不是导致轧材 表面缺陷的唯一原因，但保护渣一经卷入钢液，通 常会对轧材的表面质量产生恶劣的影响[4−10] . 在连续浇铸过程中，由于结晶器内流场的不 稳定性，很容易发生结晶器内的卷渣现象[11−14] . 渣 相被卷入钢液相后，形成卷渣类夹杂物，卷渣类夹 杂物会在后续过程中持续与钢液发生反应. 关于 结晶器卷渣类夹杂物的研究多数着眼于夹杂物的 卷入机理[15−17]、夹杂物对轧材质量的影响，鲜有关 于卷渣类夹杂物成分演变的研究. 本文研究发现 缺陷处夹杂物的具体成分和结晶器保护渣原始成 分有很大的差别，这表明保护渣被卷入钢中后发 生的成分转变是不可忽略的. 卷渣类夹杂物与钢 液的反应机理类似于渣–钢反应，区别在于前者的 反应比表面积远远大于后者. Ohguchi 等[18] 基于 渣–钢耦合反应模型研究了渣脱硫的反应动力学. Harada 等 [19−20] 和 Zhang 等 [21−22] 将 Robertson 的 模 型应用到精炼过程，研究了精炼过程夹杂物成分 的演变. 这些研究表明耦合反应模型可以用于预 测渣–钢反应过程中夹杂物成分的演变. 为了研究结晶器保护渣型夹杂物成分演变过 程，本文将耦合反应模型应用到卷渣类夹杂物和 结晶器钢液的反应过程，建立了一个与保护渣原 始成分一致的夹杂物和钢液反应的动力学模型， 并研究了卷渣类夹杂物的尺寸、在钢液中的停留 时间、以及密度等因素对卷渣类夹杂物成分转变 的影响. 1    镀锡板缺陷处的成分 选取镀锡板缺陷处的不同位置进行 SEM–EDX 成分分析，元素含量如表 1 所示，这些位置均含有 较高含量的 F 和 Na 元素，而 F 和 Na 元素是结晶 器保护渣的典型成分，结晶器保护渣的成分如表 2 所示，可以判断缺陷来自于结晶器卷渣带入的大 颗粒夹杂物. 将检测到的元素含量转换成化合物 含量，转换时不考虑 Fe 元素的含量，Ca 元素的分 配遵循 CaF2 /CaO 比值不变的原则，CaF2 /CaO 比值 取保护渣中 CaF2 /CaO 的比值. 不考虑 Fe 元素的 含量是因为对缺陷处夹杂物进行 EDX 分析时，由 于镀锡板缺陷处夹杂物厚度很薄，X 射线很容易 穿透夹杂物层进入钢基体层，导致 EDX 分析得到 成分含有一定量的 Fe 元素；此外，由于 F 元素属 于轻质元素，因为所用电镜在分析轻质元素时的 表 1 镀锡板缺陷处不同位置元素含量（质量分数） Table 1  Chemical composition at different defect locations on the tinplate % Position O F Na Mg Al Si Ca Mn Fe P1 29.71 4.46 7.58 1.99 5.08 11.97 9.63 0.9 28.68 P2 29.81 4.93 6.36 2.79 3.94 12.78 13.59 1.64 24.15 P3 37.2 6.2 3.65 1.05 2.25 13.13 24.24 1.45 10.83 P4 19.21 7.15 3.13 3.16 0.69 11.72 18.61 1.1 35.23 P5 30.08 4.64 6.71 2.19 4.62 13.96 15.19 1.45 21.17 P6 32.38 7.27 6.33 3.09 5.54 14.61 12.09 1.29 17.06 王举金等： 卷渣类夹杂物在结晶器钢液中成分转变的动力学模型 · 787 ·