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[摘 要]通过热力学软件FactSage模拟不同碱度保护渣的熔化过程，观察期间物相的熔化顺序，同时模拟保护渣熔化温度随碱度的变化，并测定实际所配保护渣的粘度，以研究碱度对保护渣熔化过程的影响。结果表明，在相同基础成分下，不同碱度保护渣的熔化过程中物相不同，且随着碱度的增大，保护渣开始熔化温度逐渐降低，而渣系的完全熔化温度逐渐升高，其粘度也呈现逐渐降低的趋势。
[关键词]保护渣；熔化过程；碱度；熔化温度；FactSage
中图分类号：E1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）02-0299-02
保护渣熔化特性决定了结晶器内钢液上部液渣层的厚度和结晶器与坯壳之间的渣膜状态。合适的液渣层厚度可隔绝空气防止钢液氧化；同时有利于熔渣均匀稳定流入结晶器与坯壳之间，保障对铸坯的润滑作用[1-2]。因此，保护渣良好的熔化特性是保证连铸生产顺利进行的重要条件[3]。董方在研究BaO对保护渣熔化特性的影响的研究中发现，BaO含量2%-8%之间变化时，保护渣熔化温度会随其含量的升高而降低，并在对高速连铸保护渣的研究中得知，Na2O含量10%的保护渣的熔化特性可较好地满足高速连铸的使用需要[4-5]。朱立光在研究高速连铸保护渣中发现Li2O含量在2%-5%时可较好改善保护渣的融化特性[6]。除此类助熔剂此外，碱度作为保护渣重要物化性质之一，其大小直接影响了保护渣的熔化过程[7]。根据CaO-SiO2-Al2O3三元相图可知，当碱低于1.0时，保护渣熔化温度随碱度的升高会迅速增加[8]。王玉在研究碱度对保护渣熔化温度的影响时发现，随着碱度的升高，保护渣粘度逐渐降低而保护熔化温度迅速上升[9]。为进一步研究碱度对保护渣熔化过程的影响，通过热力学软件FactSage模拟不同碱度保护渣的熔化过程，观察期间物相的熔化顺序，模拟不同碱度保护渣的开始熔化温度与完全熔化温度，对比不同碱度下的保护渣粘度变化。总结了不同碱度下保护渣物相的熔化过程，为深入研究碱度对保护渣熔化过程的影响提供理论依据。
1 实验内容与方法
保护渣的化学组成主要是CaO、SiO2、Al2O3、Na2O、Li2O、MgO、MnO、BaO、CaF2。国内外常用的连铸结晶器保护渣是以CaO-SiO2-Al2O3硅酸盐系为基料的保护渣，在实际生产中钢种类型的不同和连铸生产技术的差异要求调整保护渣物化性质以满足自身生产要求。通常实验所用保护渣的化学成分如表1所示。
采用FactSage热力学软件中的Equilb模块，数据库选取FToxid，模拟熔化过程，熔化模拟条件选定为：800℃～1500℃，P=1atm，T-step=10℃。同时将化学成分输入到模块中，用Viscosity模块模拟保护渣的粘度，模拟条件选定：Melts Databases ，Unites：Pa·s，Temperature：1300℃。
最终利用Brookfield旋转粘度计，在温度为1300℃的MoSi2高温炉内定点测定实验配制的保护渣粘度，观察不同碱度下保护渣的粘度变化并分析原因。
2不同碱度保护渣熔化过程研究
2.1不同碱度保护渣熔化过程的热力学模拟
将1、2、3、4号保护渣化学成分输入到FactSage软件中的Equilb模块，模拟条件选定：Formation target phase，P=1atm，可得1、2、3、4号保护渣的开始熔化温度分别为870.67℃、870.63℃、877.05℃、842.07℃。再将模拟条件选定为：Precipitate target phase，可得1、2、3、4的保护渣的完全熔化温度分别为1244.28℃、1258.71℃、1270.51℃、1281℃。由此将1、2、3、4号保护渣的熔化过程模拟条件选定为：800℃～1400℃，步长为10℃。绘制1、2、3、4号保护渣具体熔化过程图，如图1所示。
由图1可知在R=0.9的保护渣在870.67℃渣开始熔化，当温度升高到811℃时，硅灰石完全熔化。温度升高到996℃时，霞石完全熔化。当温度到1113℃时，菱硅钙钠石完全消失。当温度升高到1124℃时，黄长石完全熔化消失。温度升高至于1244.28℃时镁蔷薇辉石完全熔化，此时渣系的液相量为100%。
在R=0.95的保护渣在870.63℃渣开始熔化，当温度升高到995℃时，霞石完全熔化。当温度到1050℃时，黄长石完全消失。当温度升高到1108℃时，菱硅钙钠石完全熔化消失。温度升高到1258.71℃时镁蔷薇辉石完全熔化，此时渣系的液相量为100%。
在R=1.0的保护渣在877.05℃渣开始熔化，当温度升高到996℃时，霞石完全熔化。当温度升高到1102℃时，菱硅钙钠石完全熔化消失。温度升高到1270.51℃时镁蔷薇辉石完全熔化，此时渣系的液相量为100%。
在R=1.05的保护渣在842.07℃渣开始熔化，当温度升高到993℃时，霞石完全熔化。当温度升高到1093℃时，菱硅钙钠石完全熔化消失。温度升高至1281.19℃时镁蔷薇辉石完全熔化，此时渣系的液相量为100%。
由此可见不同碱度下，保护渣熔化过程中的物相不同。并且随着碱度的升高，保护渣的开始熔化温度整体呈现降低趋势，而渣系的完全熔化溫度逐渐增加。
2.2碱度保护渣熔化温度的影响
在Phase Diagram模块中模拟条件选定为800℃～1500℃，步长为100℃，相图三个角分别为CaO、SiO2、Al2O3，MgO、Na2O、B2O3为定值，模拟相图如图2所示。
图2中五条线有四个交点，从左到右分别是碱度为1.05、1.0、0.95、0.9与Al2O3=4%的交点。由此可见，保护渣的熔化温度随着碱度的升高逐渐上升。当温度在1000℃～1100℃时液相量很小，而在1100℃～1300℃时液相面积大幅增加，在1300℃～1400℃时体系的液相量增量逐渐稳定，保护渣的稳定性增强。 由图3可见，随R的增大，保护渣的熔化温度也随之升高，当R=0.9时，保护渣熔化温度为1244.28℃，当R=1.05时，保护渣熔化温度为1281.19℃。但在不同碱度区间内，保护渣的熔化温度随碱度变化的幅度不同，当R=0.9～1.0时，熔化温度上升了26℃；在R=1.0～1.1之间变化时，熔化温度上升了20℃；当R=1.1～1.2时，熔化温度上升了14℃。这表明，当保护渣的碱度增大时保护渣的熔化温度升高，而增加幅度逐渐减小。保护渣的热稳定性提高。因此，控制好保护渣的碱度对于提高保护渣流动性具有重要意义。
2.3碱度对保护渣粘度的影响
采用热力学软件中的Viscosity模块模拟保护渣的粘度，将1、2、3、4号保护渣化成成分输入到模块中，模拟条件选定：Melts Databases ，Unites：Pa·s，Temperature：1300℃。同时将采用化学成配置好的1、2、3、4号保护渣各称取300g，采用Brookfield旋转粘度计测试其相应的粘度。将所得数据绘图得图4。
图4中实验测得1300℃的粘度和模拟测得1300℃的粘度相差不大，且二者趋势相同。由图可见随着碱度的增加，实验和模拟测得的渣系粘度均逐渐降低。模拟测得的粘度从0.64Pa·s降低到0.5Pa·s，实验测得的粘度从0.63Pa·s降低到0.493Pa·s。这是由于碱度的升高，使熔渣中O2-含量增加导致Si-O四面体网络结构逐步受到破坏，Si-O键的断裂越来越多导致先前粒度大且复杂的硅氧负离子团逐渐变小且简单的结构单位，致使熔渣变形阻力逐渐减小，进而降低了保护渣粘度[10]。
3 结论
通过模拟保护渣的熔化过程，发现不同碱度保护渣的熔化过程中物相不同。且随着碱度的增大，保护渣开始熔化温度整体呈现降低趋势，而渣系完全熔化温度逐渐升高。
保护渣熔化温度随其碱度的增大而升高，但升高幅度逐渐降低，合理的控制保护渣碱度能够增强保护渣的热稳定性。
随着碱度的增大，熔渣中O2-含量不断增多，破坏了保护渣内部的Si-O网络，使熔渣变形阻力降低，从而使保护渣粘度下降。
参考文献
[1]艾国强，金山同.助熔剂对保护渣熔化温度的影响[J].炼钢，1999（06）：49-52.
[2]于雄. 高铝钢连铸结晶器保护渣的基础研究[D].重庆大学，2011.
[3]Lis T， Kania H， Nowacki K. The impact of the chemical composition of continuous casting moulds on their physical properties[J]. Journal of achievements in materials and manufacturing engineering， 2012， 55（2）： 345--348.
[4]董方，王艺慈，王宝峰.BaO对连铸保护渣熔化行为和结晶矿相的影响[J].特殊钢，2006（06）：7-9.
[5]董方，郭贵宝，王南，王宝峰.Na2O对连铸保护渣熔化性能的影响[J].包头钢铁学院学报，2003（03）：198-200.
[6]朱立光，万爱珍，王硕明.高速连铸保护渣熔化特性的实验研究[J].河北理工学院学报，2000（01）：13-18.
[7]Zhu X H， Zhu L G， Liu Y， et al. Effect of Basicity on continuous casting mold flux properties[C]. Advanced Materials Research. Trans Tech Publications， 2012， 567： 62-65.
[8]王玉，楊吉春.碱度和Al2O3对中碳钢宽厚板连铸结晶器保护渣粘度和熔化温度的影响[J].内蒙古科技大学学报，2012，31（04）：320-322.
[9]孙兰. 低碳和无碳连铸保护渣的研究[D].河北理工学院，2004.
作者简介：
刘力刚（1997-）男，汉，河北邯郸，本科在读。研究方向：连铸保护渣。
基金项目：
国家级大学生创新训练计划项目（X2017022）。
[关键词]保护渣；熔化过程；碱度；熔化温度；FactSage
中图分类号：E1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）02-0299-02
保护渣熔化特性决定了结晶器内钢液上部液渣层的厚度和结晶器与坯壳之间的渣膜状态。合适的液渣层厚度可隔绝空气防止钢液氧化；同时有利于熔渣均匀稳定流入结晶器与坯壳之间，保障对铸坯的润滑作用[1-2]。因此，保护渣良好的熔化特性是保证连铸生产顺利进行的重要条件[3]。董方在研究BaO对保护渣熔化特性的影响的研究中发现，BaO含量2%-8%之间变化时，保护渣熔化温度会随其含量的升高而降低，并在对高速连铸保护渣的研究中得知，Na2O含量10%的保护渣的熔化特性可较好地满足高速连铸的使用需要[4-5]。朱立光在研究高速连铸保护渣中发现Li2O含量在2%-5%时可较好改善保护渣的融化特性[6]。除此类助熔剂此外，碱度作为保护渣重要物化性质之一，其大小直接影响了保护渣的熔化过程[7]。根据CaO-SiO2-Al2O3三元相图可知，当碱低于1.0时，保护渣熔化温度随碱度的升高会迅速增加[8]。王玉在研究碱度对保护渣熔化温度的影响时发现，随着碱度的升高，保护渣粘度逐渐降低而保护熔化温度迅速上升[9]。为进一步研究碱度对保护渣熔化过程的影响，通过热力学软件FactSage模拟不同碱度保护渣的熔化过程，观察期间物相的熔化顺序，模拟不同碱度保护渣的开始熔化温度与完全熔化温度，对比不同碱度下的保护渣粘度变化。总结了不同碱度下保护渣物相的熔化过程，为深入研究碱度对保护渣熔化过程的影响提供理论依据。
1 实验内容与方法
保护渣的化学组成主要是CaO、SiO2、Al2O3、Na2O、Li2O、MgO、MnO、BaO、CaF2。国内外常用的连铸结晶器保护渣是以CaO-SiO2-Al2O3硅酸盐系为基料的保护渣，在实际生产中钢种类型的不同和连铸生产技术的差异要求调整保护渣物化性质以满足自身生产要求。通常实验所用保护渣的化学成分如表1所示。
采用FactSage热力学软件中的Equilb模块，数据库选取FToxid，模拟熔化过程，熔化模拟条件选定为：800℃～1500℃，P=1atm，T-step=10℃。同时将化学成分输入到模块中，用Viscosity模块模拟保护渣的粘度，模拟条件选定：Melts Databases ，Unites：Pa·s，Temperature：1300℃。
最终利用Brookfield旋转粘度计，在温度为1300℃的MoSi2高温炉内定点测定实验配制的保护渣粘度，观察不同碱度下保护渣的粘度变化并分析原因。
2不同碱度保护渣熔化过程研究
2.1不同碱度保护渣熔化过程的热力学模拟
将1、2、3、4号保护渣化学成分输入到FactSage软件中的Equilb模块，模拟条件选定：Formation target phase，P=1atm，可得1、2、3、4号保护渣的开始熔化温度分别为870.67℃、870.63℃、877.05℃、842.07℃。再将模拟条件选定为：Precipitate target phase，可得1、2、3、4的保护渣的完全熔化温度分别为1244.28℃、1258.71℃、1270.51℃、1281℃。由此将1、2、3、4号保护渣的熔化过程模拟条件选定为：800℃～1400℃，步长为10℃。绘制1、2、3、4号保护渣具体熔化过程图，如图1所示。
由图1可知在R=0.9的保护渣在870.67℃渣开始熔化，当温度升高到811℃时，硅灰石完全熔化。温度升高到996℃时，霞石完全熔化。当温度到1113℃时，菱硅钙钠石完全消失。当温度升高到1124℃时，黄长石完全熔化消失。温度升高至于1244.28℃时镁蔷薇辉石完全熔化，此时渣系的液相量为100%。
在R=0.95的保护渣在870.63℃渣开始熔化，当温度升高到995℃时，霞石完全熔化。当温度到1050℃时，黄长石完全消失。当温度升高到1108℃时，菱硅钙钠石完全熔化消失。温度升高到1258.71℃时镁蔷薇辉石完全熔化，此时渣系的液相量为100%。
在R=1.0的保护渣在877.05℃渣开始熔化，当温度升高到996℃时，霞石完全熔化。当温度升高到1102℃时，菱硅钙钠石完全熔化消失。温度升高到1270.51℃时镁蔷薇辉石完全熔化，此时渣系的液相量为100%。
在R=1.05的保护渣在842.07℃渣开始熔化，当温度升高到993℃时，霞石完全熔化。当温度升高到1093℃时，菱硅钙钠石完全熔化消失。温度升高至1281.19℃时镁蔷薇辉石完全熔化，此时渣系的液相量为100%。
由此可见不同碱度下，保护渣熔化过程中的物相不同。并且随着碱度的升高，保护渣的开始熔化温度整体呈现降低趋势，而渣系的完全熔化溫度逐渐增加。
2.2碱度保护渣熔化温度的影响
在Phase Diagram模块中模拟条件选定为800℃～1500℃，步长为100℃，相图三个角分别为CaO、SiO2、Al2O3，MgO、Na2O、B2O3为定值，模拟相图如图2所示。
图2中五条线有四个交点，从左到右分别是碱度为1.05、1.0、0.95、0.9与Al2O3=4%的交点。由此可见，保护渣的熔化温度随着碱度的升高逐渐上升。当温度在1000℃～1100℃时液相量很小，而在1100℃～1300℃时液相面积大幅增加，在1300℃～1400℃时体系的液相量增量逐渐稳定，保护渣的稳定性增强。 由图3可见，随R的增大，保护渣的熔化温度也随之升高，当R=0.9时，保护渣熔化温度为1244.28℃，当R=1.05时，保护渣熔化温度为1281.19℃。但在不同碱度区间内，保护渣的熔化温度随碱度变化的幅度不同，当R=0.9～1.0时，熔化温度上升了26℃；在R=1.0～1.1之间变化时，熔化温度上升了20℃；当R=1.1～1.2时，熔化温度上升了14℃。这表明，当保护渣的碱度增大时保护渣的熔化温度升高，而增加幅度逐渐减小。保护渣的热稳定性提高。因此，控制好保护渣的碱度对于提高保护渣流动性具有重要意义。
2.3碱度对保护渣粘度的影响
采用热力学软件中的Viscosity模块模拟保护渣的粘度，将1、2、3、4号保护渣化成成分输入到模块中，模拟条件选定：Melts Databases ，Unites：Pa·s，Temperature：1300℃。同时将采用化学成配置好的1、2、3、4号保护渣各称取300g，采用Brookfield旋转粘度计测试其相应的粘度。将所得数据绘图得图4。
图4中实验测得1300℃的粘度和模拟测得1300℃的粘度相差不大，且二者趋势相同。由图可见随着碱度的增加，实验和模拟测得的渣系粘度均逐渐降低。模拟测得的粘度从0.64Pa·s降低到0.5Pa·s，实验测得的粘度从0.63Pa·s降低到0.493Pa·s。这是由于碱度的升高，使熔渣中O2-含量增加导致Si-O四面体网络结构逐步受到破坏，Si-O键的断裂越来越多导致先前粒度大且复杂的硅氧负离子团逐渐变小且简单的结构单位，致使熔渣变形阻力逐渐减小，进而降低了保护渣粘度[10]。
3 结论
通过模拟保护渣的熔化过程，发现不同碱度保护渣的熔化过程中物相不同。且随着碱度的增大，保护渣开始熔化温度整体呈现降低趋势，而渣系完全熔化温度逐渐升高。
保护渣熔化温度随其碱度的增大而升高，但升高幅度逐渐降低，合理的控制保护渣碱度能够增强保护渣的热稳定性。
随着碱度的增大，熔渣中O2-含量不断增多，破坏了保护渣内部的Si-O网络，使熔渣变形阻力降低，从而使保护渣粘度下降。
参考文献
[1]艾国强，金山同.助熔剂对保护渣熔化温度的影响[J].炼钢，1999（06）：49-52.
[2]于雄. 高铝钢连铸结晶器保护渣的基础研究[D].重庆大学，2011.
[3]Lis T， Kania H， Nowacki K. The impact of the chemical composition of continuous casting moulds on their physical properties[J]. Journal of achievements in materials and manufacturing engineering， 2012， 55（2）： 345--348.
[4]董方，王艺慈，王宝峰.BaO对连铸保护渣熔化行为和结晶矿相的影响[J].特殊钢，2006（06）：7-9.
[5]董方，郭贵宝，王南，王宝峰.Na2O对连铸保护渣熔化性能的影响[J].包头钢铁学院学报，2003（03）：198-200.
[6]朱立光，万爱珍，王硕明.高速连铸保护渣熔化特性的实验研究[J].河北理工学院学报，2000（01）：13-18.
[7]Zhu X H， Zhu L G， Liu Y， et al. Effect of Basicity on continuous casting mold flux properties[C]. Advanced Materials Research. Trans Tech Publications， 2012， 567： 62-65.
[8]王玉，楊吉春.碱度和Al2O3对中碳钢宽厚板连铸结晶器保护渣粘度和熔化温度的影响[J].内蒙古科技大学学报，2012，31（04）：320-322.
[9]孙兰. 低碳和无碳连铸保护渣的研究[D].河北理工学院，2004.
作者简介：
刘力刚（1997-）男，汉，河北邯郸，本科在读。研究方向：连铸保护渣。
基金项目：
国家级大学生创新训练计划项目（X2017022）。