94-CaO-SiO2-Na2O-CaF2-Al2O3-MgO渣系的粘度和结晶温度与在线粘度计(黏度-连铸保护渣-氧硅比)

收稿日期：2001-12-28

基金项目：教育部科学技术研究重点项目（重点01057）?

作者简介：刘承军（1974-），男，河南获嘉人，博士，东北大学讲师；姜茂发（1955-），男，山东栖霞人，东北大学教授，博士生导师?

2002年7月第23卷第7期东北大学学报（自然科学版）JOurnaI Of NOrtheastern Universit y （NaturaI science ）

JuI y 2002

VOI.23，!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

NO.7文章编号：1005-3026（2002）07-0656-04

CaO-siO 2-na 2O-CaF 2-al 2O 3-M g O

渣系的粘度和结晶温度

刘承军，姜茂发

（东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳110004）

摘

要：采用CaO-siO 2-Na 2O-CaF 2-AI 2O 3-M g O 渣系，用差热分析仪测定熔渣的结晶温度，用

粘度测定仪测定熔渣的粘度，研究结晶温度和粘度与碱度、!（Na 2CO 3）、!（CaF 2）、!

（AI 2O 3）和!（M g O ）之间的关系，并得到相应的回归方程?

利用这两个回归方程，可以预测连铸保护渣的结晶性能和粘性特征?

化学成分通过改变粘度，来影响晶核形成速度和晶体成长速度，从而决定了熔渣的结晶性能?结晶温度随着粘度的减小而升高?

渣系中只有M g O 可以在减小粘度的同时降低结晶温度?

关键词：连铸保护渣；结晶温度；粘度；氧硅比；碱度（!（CaO ）/!（siO 2））；M g O

中图分类号：TF 769；TF 777文献标识码：A 为节约能源、降低成本，国内外钢铁企业普遍

采用高速连铸技术［1，2］?随着浇注速度的增加，连铸保护渣消耗量减少，造成结晶器壁与凝固坯壳之间的润滑不充分、传热不均匀，进而导致粘结性漏钢，尤其是在非稳态浇注时期［3~5］?为防止粘结性漏钢，必须深入研究连铸保护渣的粘性特征和结晶性能，以满足在高速连铸条件下的结晶器内的充分润滑与均匀传热?本文采用CaO-siO 2-Na 2O-CaF 2-AI 2O 3-M g O 渣系，通过测定熔渣的粘度和结晶温度，研究粘度和结晶温度与化学成分之间的关系，为设计连铸保护渣的粘性特征和结晶性能提供理论依据?1实验方法

1.1渣料准备

实验采用预熔渣料，粒度小于0.147mm ?渣

料首先由化学纯试剂配制而成，其中Na 2O 以

Na 2CO 3代替，

然后在1400C 高温条件下均匀熔化10min ，最后进行激冷、破碎、研磨、筛分、干燥?

为统一起见，渣料中Na 2O 的质量分数!（Na 2O ）

以配料时!（Na 2CO 3）表示?

1.2粘度测定

实验采用旋转粘度计测定熔渣的粘度，过程在MOsi 2高温炉内进行?粘度测定时，炉膛温度恒定1300C ?

1.3结晶温度测定

实验采用差热分析仪测定熔渣的结晶温度，

在MOsi 2高温炉内进行?

结晶温度测定时，炉膛温度恒定在1350C ?称取100m g 渣料加入铂金坩

埚送入炉内，10min 后渣料均匀熔化?此时以20

C ?min -1速度降温，

同时微机数据采集系统开始记录实验数据?

根据热重分析曲线，可得结晶相开始析出时的温度，即为熔渣的结晶温度?

1.4实验方案

实验采用二次回归正交设计［6］，研究在CaO-

siO 2-Na 2O-CaF 2-AI 2O 3-M g O 渣系中碱度"（!（CaO ）/!（siO 2））、!（Na 2CO 3）、!（CaF 2）、!（AI 2O 3）、!（M g O ）等5个因素对粘度和结晶温度的影响?2实验结果与分析2.1回归方程的方差分析对于CaO-siO 2-Na 2O-CaF 2-AI 2O 3-M g O 渣系，1300C 时粘度!s 和结晶温度（#c ）与碱度"、!（Na 2CO 3）、!（CaF 2）、!（AI 2O 3）和!（M g O ）之间的回归方程如下：

!S =3.799-3.6765R -0.0733N -

0.lll 6F +0.0473A -0.0394M +

0.0368RN +0.054l RF -0.0046RA +

0.0264RM +0.00l 2NF -0.00l 2N A +

0.0004NM -0.0007FA +0.00l 0FM -

0.0023A M +0.8903R 2+0.0003N 2+

0.0007F 2+0.0002A 2+0.000l M 2（l ）

I c =l 576.5-247.28R -20.73N -

20.38F +3.67A -9.52M +

3.33RN +0.42RF +

4.58RA +

l .39RM +0.48NF -0.27N A +

0.l4NM -0.04FA +0.42FM -

l .06A M +43.22R 2+0.l9N 2+

0.23F 2+0.29A 2+0.29M 2（2）

这里N =w （Na 2CO 3）、F =w （CaF 2）、A =

w （AI 2O 3）和M =w （M g O ）?

分别对回归方程进行方差分析，熔渣粘度的

回归方程在"=0.00l 水平上显著，熔渣结晶温

度的回归方程在"=0.005水平上显著，实验数

据与二次回归方程吻合较好?借助以上回归方程，

可以预测CaO-siO 2-Na 2O-CaF 2-AI 2O 3-M g O 渣系

的粘度和结晶温度?

2.2粘度与化学成分

对于CaO-siO 2-Na 2O-CaF 2-AI 2O 3-M g O 渣

系，化学成分对熔渣粘度的影响如图l ~图5所

示?在R =0.90、w （Na 2CO 3）=w （CaF 2）=

l5.0%、w （AI 2O 3）=w （M g O ）=5.0%的条件下，

熔渣的粘度为0.2l Pa ?S

?

图1结晶温度和粘度

!s 与碱度!（"（CaO ）/"（SiO 2））

之间的关系Fi g .1De p endences of #c and !s on !

w （Na 2CO 3）=w （CaF 2）=l5%；

w （AI 2O 3）=w （M g O ）=5%?

在本实验渣系条件下，随着R 的增大，熔渣

的粘度逐渐减小，当R =l.20左右时，熔渣的粘

度达到极小值，为0.ll Pa ?S ，之后继续增大R ，熔

渣的粘度稍有增大?在一定的渣系条件下，随着

w （Na 2CO 3）、w （CaF 2）和w （M g O ）

的增加，熔渣图2结晶温度和粘度!s 与"（Na 2CO 3）之间的关系Fi g .2De p endences of #c and !s on "（Na 2CO 3）R =0.9；w （CaF 2）=l5%；w （AI 2O 3）=w （M g O ）=5%

?图3结晶温度和粘度!s 与"（CaF 2）之间的关系Fi g .3De p endences of #c and !s on "（CaF 2）R =0.9；w （Na 2CO 3）=l5%；w （AI 2O 3）=w （M g O ）=5%

?图4结晶温度和粘度!s 与"（Al 2O 3）之间的关系Fi g .4De p endences of #c and !s on "（Al 2O 2）R =0.9；w （Na 2CO 3）=w （CaF 2）=l5%；w （M g O ）=5%?的粘度逐渐减小；随着w （AI 2O 3）的增加，熔渣的粘度逐渐增大?根据硅酸盐熔渣的结构理论，熔渣的粘度主要决定于硅氧四面体网络的连接程度［7，8］?当熔渣的氧硅比OsI 增大时，硅氧四面体网络的连接方式由骨架式、层状、链状向岛状过渡，粘度相应

756第7期刘承军等：CaO-siO 2-Na 2O-CaF 2-AI 2O 3-M g O 渣系的粘度和结晶温度

图5结晶温度和粘度!s与!（M g O）之间的关系

Fi g.5De p endences of"c and!s on!（M g O）

R=0.9；w（Na2CO3）=w（CaF2）=15%；

w（Ai2O3）=5%?

减小?在本实验渣系条件下，增大R和w（M g O）可以减小粘度?这是因为随着w（CaO）和w（M g O）的增加、w（SiO

2

）的降低，熔渣的OSI增大?Na2CO3对粘度的影响可以从两个方面进行考虑，一方面O2-可以增大熔渣的OSI，另一方面，Na+可以和硅氧四面体的一角成键，阻止硅氧四面体形成网络链或使网络链断开?CaF2可以有效降低粘度，其原因是

F-半径（1.25 ）与O2-半径（1.32 ）接近，F-极易取代O2-，而F-可以使硅氧四面体网络链断开?Ai2O3可以增大粘度?对于R=0.67~1.20的熔

渣，Ai

2

O3作用与SiO2相似，均为网络形成体，Ai3+可以替代Si4+，形成类似于硅氧四面体结构的铝氧四面体，大量的铝氧四面体进入硅氧四面体网络，可使硅酸盐熔渣结构紧密，粘度增大?

2.3结晶温度与化学成分

对于CaO-SiO

2

-Na2O-CaF2-Ai2O3-M g O渣系，化学成分对熔渣结晶温度的影响如图1~图5

所示?在R=0.90，w（Na

2

CO3）=w（CaF2）= 15.0%，w（Ai2O3）=w（M g O）=5.0%的条件下，熔渣的结晶温度为971C?

在本实验渣系条件下，随着R的增大，熔渣的结晶温度逐渐升高，并且随着R的增大，R对结晶温度的影响作用逐渐增强?在一定的渣系条

件下，随着w（Na

2

CO3）和w（CaF2）的增加，熔渣

的结晶温度逐渐升高；随着w（Ai

2

O3）和w （M g O）的增加，熔渣的结晶温度逐渐降低?

2.4粘度与结晶温度

对于CaO-SiO

2

-Na2O-CaF2-Ai2O3-M g O渣系，熔渣的结晶温度和粘度与化学成分之间的关系如图1~图5所示?由图1~图5可知，熔渣的化学成分对结晶温度和粘度的影响作用相反，当粘度增大时，结晶温度逐渐降低?

根据硅酸盐熔渣的结构理论，熔渣的结晶性能主要与粘度有关［9，10］?R、Na2CO3、CaF2、Ai2O3和M g O通过改变熔渣粘度，来影响晶核形成速度和晶体成长速度，从而决定了熔渣的结晶性能?随着粘度的减小，硅酸盐熔渣结构逐渐疏松，成双四面体结构或孤立岛状结构，容易析出晶核；同时粘度小有利于硅酸盐熔渣中的晶核的扩散、粘结与成长?综合二者，减小粘度将会提高结晶温度?只有M g O可以在减小熔渣粘度的同时降低结晶温度，有关M g O的影响作用机理尚有待于进一步深入研究?

3结论

（1）通过建立二次回归正交设计模型，得到CaO-SiO2-Na2O-CaF2-Ai2O3-M g O渣系的结晶温度和粘度与化学成分之间的关系式?

（2）化学成分通过改变熔渣粘度，来影响晶核形成速度和晶体成长速度，从而决定了熔渣的结晶性能?结晶温度随着粘度的减小而升高?（3）M g O可以在减小粘度的同时降低结晶温度?

参考文献：

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Ironmakin g and Steelmakin g，1988，15（4）：175-186.

856东北大学学报（自然科学版）第23卷

Viscosit y and Cr y staIIization Tem p erature of Ca0-Si02-Na 20-CaF 2-AI 203-M g 0S y stem

LIU Chen g -j un ， IANG Mao-f a

（SchooI of MateriaIs &MetaIIur gy ，Northeastern Universit y ，Shen y an g 110004，China.Corres p ondent ：LIU Chen g - un ，doctor ，E-maiI ：chen g un -Iiu @https://www.sodocs.net/doc/d49658461.html, ）

Abstract ：Cr y staIIization tem p erature and viscosit y of Ca0-Si02-Na 20-CaF 2-AI 203-M g 0s y stem were examined b y DTA and

rotatin g viscometer res p ectiveI y .The effects of w

（Ca0）/w （Si02），w （Na 2C03），w （CaF 2），w （AI 203）and w （M g 0）on the cr y staIIization tem p erature and viscosit y were investi g ated ，and the re g ression e g uations of the de p endence reIationshi p s were https://www.sodocs.net/doc/d49658461.html,in g these re g ression e g uation ，cr y staIIization tem p erature and viscous characteristics of the moId p owder s y stem can be forecasted.It is shown that chemicaI com p osition decides the nucIeation rate and the g rowth rate of the cr y staIs in the moIten sIa g b y chan g in g its viscosit y .The cr y staIIization tem p erature of the moIten sIa g rises with decreasin g its viscosit y .Addition of onI y more M g 0can decrease cr y staIIization tem p erature and the viscosit y of the sIa g s y stem at the same time.

Ke y words ：moId p owder ；cr y staIIization tem p erature ；viscosit y ；0SI （index of ox yg en and siIicon ）；w （Ca0）/w

（Si02）；M g 0（Receiued December 28，2001!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!""""""""""""""""""#

##

#）

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956第7期刘承军等：Ca0-Si02-Na 20-CaF 2-AI 203-M g 0渣系的粘度和结晶温度

CaO-SiO2-Na2O-CaF2-Al2O3-MgO渣系的粘度和结晶温度

作者：刘承军， 姜茂发

作者单位：东北大学,材料与冶金学院,辽宁,沈阳,110004

刊名：

东北大学学报(自然科学版)

英文刊名：JOURNAL OF NORTHEASTERN UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)

年，卷(期)：2002,23(7)

被引用次数：14次

参考文献(10条)

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9.Bommaraju R Optimum selection and application of mold fluxes for carbon steels 1991

https://www.sodocs.net/doc/d49658461.html,ls K C Physical properties of casting powders 1988(04)

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引用本文格式：刘承军.姜茂发CaO-SiO2-Na2O-CaF2-Al2O3-MgO渣系的粘度和结晶温度[期刊论文]-东北大学学报(自然科学版) 2002(7)