TiO2含量對CaO-Al2O3-TiO2基連鑄保護渣界面性質的影響
王杏娟1,2，王宇1,2，朱立光3，邸天成1,2，樸占龍2
(1. 華北理工大學冶金與能源學院， 河北 唐山 063210；2. 河北省高品質鋼連鑄技術創(chuàng)新中心， 河北 唐山 063000；3. 河北科技大學材料科學與工程學院， 河北 石家莊 050000)
摘要：采用熱絲法對不同TiO2含量的CaO-Al2O3-TiO2基保護渣進行接觸角試驗，計算出保護渣表面張力和鋼渣界面張力，分析TiO2含量對保護渣接觸角、表面張力、界面張力的影響規(guī)律。結合拉曼光譜，分析TiO2在微觀結構上對鋼渣界面張力的影響機理。研究結果表明，1 723 K溫度下，保護渣中TiO2質量分數(shù)為4%~12%時，接觸角為15.3°~38.5°，保護渣表面張力為523~541 mN/m；在保護渣TiO2質量分數(shù)為4%~10%和10%~12%時，鋼渣界面張力變化量分別為4 mN/m和82 mN/m。TiO2質量分數(shù)為4%~10%時，界面張力基本保持不變，鋼渣間界面反應變弱，鋼渣易分離，更符合高鈦鋼連鑄生產的需求。隨著TiO2含量的增加，離子半徑增加，陰陽離子間距增大，熔體內主要陰離子為TiO44-單體和Ti2O46-鏈單元，復合陰離子被排擠到熔體表面，陰陽離子間結合力降低，進一步導致表面張力降低。
關鍵詞：高鈦鋼； 保護渣； 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、軍事化工等領域的應用越來越廣泛。高鈦鋼具有耐腐蝕性能良好、低溫性能好、強度高、導熱系數(shù)小等特點。常見含鈦合金鋼Ti質量分數(shù)為0.05%~0.20%，其種類可簡單分為低合金結構用鋼、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易與保護渣中SiO2發(fā)生鋼渣界面反應生成高熔點化合物，出現(xiàn)在結晶器鋼液面的冷鋼和難熔化的物質混合保護渣后，易產成“結魚”，保護渣流入通道受到阻礙，難以實現(xiàn)高鈦鋼多爐連澆，惡化鑄坯表面質量，產生凹陷、裂紋、夾渣等現(xiàn)象，甚至會引發(fā)黏結漏鋼。研究發(fā)現(xiàn)，通過在保護渣中適量加入TiO2，可以有效抑制鋼渣界面反應，使連鑄過程順行。
界面性質是鋼液與熔渣界面間的一種重要性質，現(xiàn)已被廣泛研究。LIU Yan-hui等采用滴落法研究了TiO2含量對1 673 K熔渣表面張力的影響，結果表明，TiO2在CaO-SiO2-MgO-Al2O3-TiO2渣系中起表面活性劑的作用，加入TiO2會引起熔體表面張力的降低。毛裕文等用浮滴法測定了CaO-SiO2-TiO2-Al2O3-MgO系熔渣與攀鋼高爐生鐵間的界面張力，結果表明，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會顯著降低合金與熔渣間的界面張力。學者們有關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，研究者認為熔渣內含有大量的氧化物離子結構，因此熔渣的表面張力與構成渣體各個組分的表面張力有關。研究證明，保護渣熔體中存在的正離子、簡單負離子和復雜負離子向各個方向均等的拉動，熔體表面主要為O2-離子，熔體內陽離子與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）設備研究含量不同的TiO2對高鈦鋼與CaO-Al2O3-TiO2基保護渣界面性質的影響，探討TiO2含量對接觸角、表面張力、鋼渣界面張力的影響規(guī)律。并進一步通過Raman光譜儀分析TiO2在微觀結構上對鋼渣界面反應影響的機理。
2 精選圖表
3 結論
(1)1~5號高鈦鋼保護渣的潤濕角分別為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。隨著保護渣中TiO2含量的增加，保護渣接觸角減小、表面張力減小，在保護渣中TiO2質量分數(shù)為4%~10%和10%~12%時，界面張力變化量分別為4、82 mN/m。
(2)保護渣中TiO2質量分數(shù)為4%~10%時，鋼渣間界面張力基本保持不變，鋼渣間界面反應變弱，鋼渣易分離；保護渣中TiO2質量分數(shù)為10%~12%時，界面張力下降較快，界面發(fā)生反應，不利于鋼渣間的分離。保護渣中TiO2質量分數(shù)為4%~10%更符合高鈦鋼連鑄生產的需求。
(3)隨TiO2含量的增加，離子半徑增大，陰陽離子間距增大，熔體內主要陰離子為TiO44-單體和Ti2O46-鏈單元，復合陰離子被排擠到熔體表面，陰陽離子間結合力降低，進一步導致表面張力降低。
