一种连铸收尾坯用冶金发热剂的制作方法

本发明涉及冶金连铸技术领域，更具体地说，涉及一种连铸收尾坯用冶金发热剂。

背景技术：

钢水经连铸机浇注后形成连铸坯，在浇注即将结束时需要进行收尾坯工作，陆续关闭连铸机机头上的设备，并为下个浇次作准备工作。现有技术中，中间包浇注结束后，随着拉坯的进行，液面下降，尾坯被拉出结晶器，在整个收尾坯的过程中，由于二冷水的喷淋作用，尾坯顶部的液面迅速降温并形成凝固壳。值得说明的是，二冷水掉落在凝固壳上并聚集，产生较强的冷却作用，使尾坯不仅沿圆周方向传热，还存在向尾坯尾部的纵向传热。由于尾坯的冷却强度大，凝固方向也与正常坯不同，存在自上而下的凝固，尾坯凝固产生的收缩将从顶部向下延伸，使得缩孔和疏松分布在较长的区域内。另外，凝固壳隔绝了空气，大气压力带来的补缩作用将不复存在；而且浇注结束后，钢水静压力越来越小，其补缩作用也比正常浇注时的铸坯小。因此，在尾坯长度一定的情况下，尾坯容易出现中心缩孔、疏松和裂纹等质量缺陷。现有连铸常规收尾坯过程及尾坯凝固组织状态和缺陷如图1、图2、图3所示。此外，因尾部冷却强度大，且纵向传热不可忽略，使得尾坯一定长度范围内的冷却都被加强，进而导致柱状晶充分生长，中心等轴晶区域较小，从而使得尾坯切除量加大等情况。

因此，为了解决上述连铸在收尾坯工作过程中造成的尾坯质量缺陷的状况，经检索，中国专利申请号：cn201710437736.9，申请公布日：2018年12月18日，发明创造名称：减少板坯连铸尾坯精整量和提高坯尾温度的封顶方法；中国专利号：201610325073.7，授权公告日：2017年10月10日，发明创造名称：连铸停浇铸坯尾出封顶方法。上述两件申请案虽然都是通过改变连铸坯的拉速，从而改善连铸坯的质量，但是，采用该方式并未解决连铸坯尾端所形成的缺陷，仍然导致连铸坯尾端切除量较大的问题，因此，需进一步改进。

技术实现要素：

1、发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中连铸收尾坯时存在铸坯质量缺陷的问题，提供了一种连铸收尾坯用冶金发热剂；本发明通过研发一种新的连铸收尾时所需的冶金发热剂，通过将冶金发热剂加入到结晶器中，冶金发热剂中的碳和铝与尾坯中的feo发生放热反应，为连铸尾坯凝固时能够为尾坯提供较高热量，降低尾坯坯壳的凝固速率，同时生成的金属fe反而会对尾坯中心凝固缩孔进行补缩，增加尾坯致密度，极大的改善铸坯尾端的质量，从而减小连铸坯尾端切除量。

2、技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种连铸收尾坯用冶金发热剂，包括铝粉、碳粉、铁粉、硅粉、feo、cao和粘结剂，该冶金发热剂悬浮于连铸尾坯的渣层中。

作为本发明的更进一步改进，所述冶金发热剂的密度为3.2～3.3g·cm^-3。

作为本发明的更进一步改进，所述冶金发热剂的碱度为6～8，钙铝比为1.6～1.8。

作为本发明的更进一步改进，所述铝粉的重量百分比为40～43％。

作为本发明的更进一步改进，所述碳粉的重量百分比为32～35％。

作为本发明的更进一步改进，所述铁粉的重量百分比为8～10％。

作为本发明的更进一步改进，所述硅粉的重量百分比为2％。

作为本发明的更进一步改进，所述feo的重量百分比为7～10％。

作为本发明的更进一步改进，所述cao的质量百分比为5～6％。

作为本发明的更进一步改进，所述粘结剂为双组份环氧树脂、聚氨酯或氰基丙烯酸酯。

作为本发明的更进一步改进，所述粘结剂的用量为每50g冶金发热剂中加入2ml。

3、有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种连铸收尾坯用冶金发热剂，通过将铝粉、碳粉、铁粉、硅粉、feo、cao和粘结剂制成的冶金发热剂，其中，碳和铝作为供热源，与组分中的feo以及尾坯中的feo发生放热反应，从而为连铸尾坯凝固时能够为尾坯提供较高热量，降低尾坯坯壳凝固速率，同时，由于冶金发热剂中的铁以及放热反应生成的金属铁，能够进入到尾坯中心，进行补缩，从而降低中心缩孔、疏松和裂纹等质量缺陷出现的概率，改善铸坯尾端的质量，从而减小连铸坯尾端切除量；

(2)本发明的一种连铸收尾坯用冶金发热剂，通过控制冶金发热剂的密度，在使用过程中冶金发热剂能够迅速下沉，并悬浮于渣层中，一方面，能够避免冶金发热剂中的碳粉和金属铝与空气中的氧反应而造成碳粉和金属铝的损耗，有效保证冶金发热剂为连铸尾坯提供足够的热量，提高冶金效果，改善现场作业环境；另一方面，便于冶金发热剂迅速下沉并悬浮于连铸尾坯的渣层中，冶金发热剂中的金属铝与feo所生成的al2o3夹杂物逐渐上浮与渣层中，不会污染钢液；同时，碳粉、金属铝与feo反应所生成对的金属铁生成的金属fe反而会对尾坯中心凝固缩孔进行补缩，增加尾坯致密度，改善尾坯质量；

(3)本发明的一种连铸收尾坯用冶金发热剂，通过对各成分量的控制，在保证冶金发热剂能够提供足够热量的同时保证持续时间，从而降低连铸尾坯坯壳的凝固速率，增加尾坯中心组织补缩几率，从而有利于尾坯质量的提高；此外，控制冶金发热剂中的碱度以及钙铝比，使得新形成的炉渣具有良好的脱氧、硫和吸附al2o3夹杂物的能力；

(4)本发明的一种连铸收尾坯用冶金发热剂，其成分采用铝粉、碳粉、铁粉、硅粉、feo、cao为原材料，虽然原材料较为常规，但是通过控制各原材料的含量，保证冶金发热剂能够为连铸尾坯提供充足热量的同时，为连铸尾坯进行补缩，增加尾坯致密度，改善尾坯质量，此外，冶金发热剂不会带入任何有害元素和杂质，从而不会形成二次污染，有效保证连铸尾坯的质量。

附图说明

图1为现有技术中连铸常规收尾时中间包停止浇注时的结构示意图；

图2为现有技术中连铸尾坯拉出结晶器时的结构示意图；

图3为现有技术中连铸尾坯缺陷结构示意图；

图4为本发明中三种不同冶金发热剂在连铸尾坯中状态的结构示意图；

图5为本发明中冶金发热剂的形状结构示意图；

图6为实施例4中φ600mm的45#钢正常的尾坯形貌图；

图7为实施例4中φ600mm的45#钢添加冶金发热剂的尾坯形貌图；

图8为实施例4中φ500mm的q345b钢添加冶金发热剂的尾坯形貌图；

图9为实施例4中φ600mm的45#钢尾坯横向低倍样和纵剖低倍样取样位置的示意图；

图10为实施例4中φ600mm的45#钢尾坯横向低倍组织检测结果图；

图11为实施例4中φ600mm的45#钢尾坯纵剖低倍组织检测结果图；

图12为实施例4中常规收尾坯与采用冶金发热剂收尾坯的低倍不合格比例对比柱状图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

本实施例的一种连铸收尾坯用冶金发热剂，包括铝粉、碳粉、铁粉、硅粉、feo、cao和粘结剂，该冶金发热剂中的铝粉和碳粉作为连铸尾坯中的供热源，铝粉和碳粉与尾坯中的feo发生放热反应，同时也与冶金发热剂中的feo发生放热反应，为连铸尾坯提供充足的热量，从而有效延缓连铸尾坯的凝固时间，有利于冶金发热剂对尾坯的中心进行补缩。

冶金发热剂中的碳粉和铝粉会与组份和尾坯中的feo形成如下放热反应：

c+feo＝fe+co2

al+feo＝fe+al2o3

si+[o]＝sio2

值得说明的是，本实施例中的冶金发热剂中的铁粉以及放热反应生成的fe会对尾坯中心凝固缩孔进行补缩，增加尾坯致密度，从而降低中心缩孔、疏松和裂纹等质量缺陷出现的概率，改善铸坯尾端的质量，减小连铸坯尾端的切除量。此外，通过添加硅粉对冶金发热剂的碱度进行调节，便于后续冶金发热剂发生作用。

为了便于冶金发热剂发生作用，首先需要解决的是该冶金发热剂在连铸尾坯中所处的状态，如图4所示，为三种不同冶金发热剂在连铸尾坯中的状态。

图中a位置是由于冶金发热剂的密度太小而浮于结晶器渣面上方，冶金发热剂中绝大部分的碳粉和金属铝与空气中的氧发生反应，生成了co2气体和al2o3浮于渣面上，此时尾坯中钢液热量并无增加，反而由于c和al的氧化反应会消耗部分尾坯钢液的热量，从而达不到延缓连铸尾坯的凝固时间，导致冶金发热剂发挥不了作用，甚至起到相反的作用。

图中c位置是由于冶金发热剂的密度过大，而沉入到连铸尾坯钢液中，此时冶金发热剂中的feo与钢液中的酸溶铝形成如下反应：

feo+[al]s＝fe+(al2o3)

从而造成了钢液中的酸溶铝过度烧损，生成的al2o3夹杂物来不及上浮去除，会在钢液中残留，从而污染钢液，造成铸坯质量下降。

因此，本实施例中的冶金发热剂有别与其它两种状态下的物质，其密度略大于渣密度，在加入到结晶器液面后能够悬浮与结晶器渣层中，即图示中的b所处的位置。当冶金发热剂悬浮于渣层中时，其碳与铝会与feo发生反应，其生成的金属铁会对铸坯中心进行补缩，且生成的al2o3夹杂物会随之进入到渣层中，不会对钢液造成污染。

值得说明的是，为了对冶金发热剂的密度进行确定，首先，利用炉渣比容公式算出1400℃时的熔渣比容v1400℃，(密度倒数v＝1/ρ)，如下所示：

上式中括号内为熔渣氧化物的百分含量，再根据下式算出不同温度下的炉渣密度ρt：

上式中t—温度/℃；

其次，通过实验进行实验测量，对二者的结果进行比较：

通过对50种不同组分的各钢种的结晶器渣样在1600℃温度下密度进行实验测定和经验公式计算，其对比结果如表1所示。

表1实验室测定和公式计算的炉渣密度比较(1600℃)

从表中可以看出在不同类别渣样中，实际测量值与公式计算的结果基本吻合，误差在±0.2g/cm³以内，在误差的容许范围内，从而为冶金发热剂的制备提供了数据基础。

依据表1的相关数据，对冶金发热剂进行制备，由于实验和计算都存在误差，故每个组别渣样需测试不同密度和组分的冶金发热剂，继续对以上五个组别的渣样进行实验，从而来确定结晶器渣样在1600℃下的真实综合密度。

对冶金发热剂进行制备，其制备方法如下：

按照重量百分比配置原料，该原料包括：铝粉、碳粉、铁粉、硅粉、feo、cao，将上述原料放置搅拌机中，通过搅拌机对其进行搅拌混匀，其搅拌时间为不低于15min，保证各原料混匀的均匀性；优选的，控制搅拌时间为25min。

为了便于冶金发热剂在连铸尾坯中发挥作用，向混匀后的原料中添加粘结剂。通过粘结剂将原材料粘结在一起，便于制成特定的形状，从而冶金发热剂在使用过程中，能够均匀的分布在连铸尾坯尾端的各个区域中，有利于冶金发热剂充分发挥作用；之后继续用搅拌机对其进行搅拌混匀，其搅拌时间不低于10min；为了便于后面冶金发热剂成型，其搅拌时间控制为15min。

将搅拌后的原料送至成型机，通过成型机将其压制成团；

值得说明的是，由于冶金发热剂的主要作用是为了降低连铸尾坯坯壳的凝固速率，因此，冶金发热剂在使用时，需要将冶金发热剂均匀的分布在尾坯端部，此外，也需控制冶金发热剂的加入量，有效控制连铸坯坯壳的凝固时间，因此需对压制成团的冶金发热剂的形状和大小进行控制；

优选的，该冶金发热剂的形状为圆柱体，且每个团块的重量约50g。本实施例的冶金发热剂如图5所示。

将制成团状的原料进行自然干燥或在25℃～300℃温度下，持续在烘干箱中烘干1～24h，之后使其自然冷却，从而获得冶金发热剂。优选的，采用烘干箱进行烘干。

将制备好的冶金发热剂进行包装，便于后续使用。

对表1中五个组别的渣样进行实验，将制备好的冶金发热剂加入结晶器液面，并记录其结果如表2所示。

表2不同密度、不同组分冶金发热剂的实验结果

由表2可得出1-10、31-40、41-50组别的冶金发热剂在加入到结晶器液面后反应烟尘最小，属于熔化式反应，且冶金发热剂悬浮于渣层中，符合要求。

因此，冶金发热剂的组分如下表所示：

表3冶金发热剂的组分

由表3可知，冶金发热剂的密度控制在3.2～3.3g·cm^-3，可以为3.2g·cm^-3、3.23g·cm^-3、3.25g·cm^-3、3.28g·cm^-3或3.3g·cm^-3。本实施例对冶金发热剂的密度进行限定，能够保证冶金发热剂加入到结晶器液面后，能够迅速下沉并悬浮于渣中，减少配方中的碳和金属铝烧损，提高冶金效果，改善现场作业环境。且该冶金发热剂具有密实度高，不易碎等优点，便于冶金发热剂的储存。

此外，该冶金发热剂中的碱度控制在6～8，钙铝比控制在1.6～1.8，使得新形成的炉渣具有良好的脱氧、硫和吸附al2o3夹杂物的能力。

优选的，本实施例中冶金发热剂中的碱度为6.5，钙铝比为1.7。

本实施例的冶金发热剂中铝粉的重量百分比为43％；碳粉的重量百分比为32％；铁粉的重量百分比为8％；硅粉的重量百分比为2％；feo的重量百分比为10％；cao的质量百分比为5％。本实施例中的粘结剂采用双组份环氧树脂，且粘结剂的用量为每50g冶金发热剂中加入2ml。

值得说明的是，本实施例的冶金发热剂采用铝粉、碳粉、铁粉、硅粉、feo、cao为原材料，虽然原材料较为常规，但是通过控制各原材料的含量，保证冶金发热剂在连铸收尾坯的过程中起到意想不到的及时效果，即冶金发热剂能够为连铸尾坯提供充足热量延缓连铸尾坯坯壳凝固时间的同时，为连铸尾坯进行补缩，减少连铸尾坯的质量缺陷，提高了钢水收得率；此外，冶金发热剂不会带入任何有害元素和杂质，从而不会形成二次污染，有效保证连铸尾坯的质量。

实施例2

本实施例的一种连铸收尾坯用冶金发热剂，基本同实施例1，其不同之处在于：本实施例的冶金发热剂中铝粉的重量百分比为40％；碳粉的重量百分比为34％；铁粉的重量百分比为10％；硅粉的重量百分比为2％；feo的重量百分比为8％；cao的质量百分比为6％；且本实施例中的粘结剂采用双组份环氧树脂，且粘结剂的用量为每50g冶金发热剂中加入2ml。

此外，本是实施例的冶金发热剂的碱度为7.2，钙铝比为1.6。

实施例3

本实施例的一种连铸收尾坯用冶金发热剂，基本同实施例1，其不同之处在于：本实施例的冶金发热剂中铝粉的重量百分比为41％；碳粉的重量百分比为35％；铁粉的重量百分比为8％；硅粉的重量百分比为2％；feo的重量百分比为9％；cao的质量百分比为5％；且本实施例中的粘结剂采用聚氨酯，且粘结剂的用量为每50g冶金发热剂中加入2ml。

此外，本是实施例的冶金发热剂的碱度为6.5，钙铝比为1.6。

实施例4

本实施例的一种连铸收尾坯用冶金发热剂，基本同实施例1，其不同之处在于：本实施例的冶金发热剂中铝粉的重量百分比为42％；碳粉的重量百分比为33％；铁粉的重量百分比为9％；硅粉的重量百分比为2％；feo的重量百分比为8％；cao的质量百分比为6％；且本实施例中的粘结剂采用氰基丙烯酸酯，且粘结剂的用量为每50g冶金发热剂中加入2ml。

此外，本是实施例的冶金发热剂的碱度为7，钙铝比为1.72。

为了更进一步说明，在连铸过程中对冶金发热剂进行试验：

试验条件：

针对对象：4流大方/圆坯连铸机。对生产断面尺寸为φ600mm的45#钢进行试验，以及对生产断面尺寸为φ500mm的q345b钢进行试验。其结过如图7和图8所示。

为了更加清楚的体现对有无加入冶金发热剂进行对比，在说明书附图中增加一副未加入冶金发热剂的收尾坯，如图6所示，该图6为生产断面尺寸为φ600mm的45#钢。

结合图6、图7、图8，可以可以看出，未加冶金发热剂收尾坯时的尾坯顶部较平，该原因是由于尾坯凝固时间较早，没有明显补缩迹象；而加入冶金发热剂延迟封顶收尾坯后，尾坯的顶部形成较大的集中缩孔，在试验过程中尾坯通过火切机后心部仍保持红热，可见尾坯顶部是最后凝固的区域。因此可以看出冶金发热剂对液芯凝固产生的体积收缩有显著的补充效果，将体积收缩量集中在了尾坯的尾部。

经过测量，φ600mm和φ500mm规格常规收尾坯方式的尾坯顶部凹陷深度为0.02～0.05m，而加入冶金发热剂延迟收尾坯后，尾坯顶部凹陷深度达到0.9～1.1m。因此可以得出冶金发热剂对液芯凝固产生的体积收缩有显著的补充效果，将体积收缩量集中在了尾坯的尾部。

为了进一步确认冶金发热剂使用后对尾坯质量的影响情况，对尾坯进行了横向、纵剖的低倍检验。在φ600mm规格为45#钢连铸时采取了延迟封顶的收尾坯方式，尾坯随正常铸坯入坑缓冷，出坑后在火焰切割面一端取横向低倍样和纵剖低倍样，其取样位置如图9所示。对所取试样进行酸洗检测，结果如图10和图11所示。

根据图10和图11可以看出，采用冶金发热剂进行收尾坯后，尾坯火焰切割一端的横向、纵剖低倍质量良好，未发现超标的中心纹裂、中心缩孔和中心疏松。此外，中心等轴晶比例达到55-65％，也未发现白亮带。

此外，为了进一步说明使用冶金发热剂后对尾坯钢水收得率的影响情况，在该连铸机上对断面尺寸为φ380～φ800mm规格大圆坯的尾坯长度进行了优化切割，同时考虑到尾坯补缩效果较好，将切尾长度缩短0.5m。尾坯低倍不合格比例与常规方法的对比如图12所示，不合格比例由6.25％降低到1.96％，接近于正常拉坯生产的水平，且未发现白亮带。连浇炉数约为8炉，每炉去除铸余后的钢水浇注量约为102吨，各断面的产量基本相当，由此计算得到钢水收得率平均提高0.56％，详细计算如表4所示。

表4钢水收得率提高比例计算

通过对比分析大圆坯连铸尾坯的凝固组织形貌特征，对冶金发热剂的试验情况进行数据分析，该冶金发热剂对于连铸收尾坯生产主要表现有益效果为：收尾坯时在液面上方加入冶金发热剂来延长封顶时间，能明显提高熔池的补缩效果，在切尾长度减少0.5m时，尾坯低倍不合格比例仍能由6.25％降低到1.96％；同时钢水收得率提高了0.56％。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。