连铸过程铸坯表面氧化铁皮生成机制及其对传热影响的研究

铸坯表面氧化铁皮的有效控制和减量化对于提高钢铁产品表面质量、提升产品档次、降低金属料损耗和生产成本具有重要意义。本项目针对连铸生产中铸坯表面氧化铁皮的控制及减量化技术开发尚缺乏相关基础研究和理论依据这一问题，基于冶金热力学、动力学和无机非金属材料学的相关理论，对连铸过程中铸坯表面氧化铁皮的生成机制及其对铸坯传热的影响进行系统研究，主要内容包括：铸坯表面氧化铁皮的结构特征；环境气氛及铸坯表面温度对铸坯表面氧化铁皮微观结构和生成速率的影响规律；化学成分对铸坯表面氧化铁皮微观结构和生成速率的影响规律；确定铸坯表面氧化铁皮生成机制及建立典型钢种铸坯氧化铁皮生长动力学模型；氧化铁皮对铸坯传热的影响。研究结果对于实现连铸过程铸坯表面氧化铁皮的减量化和铸坯表面质量的提高具有重要学术价值和应用前景。

连铸坯表面氧化铁皮会导致钢铁料损耗、连铸坯“热脆”及铸坯表面传热系数降低。系统研究连铸坯表面氧化铁皮生成特性及其对铸坯质量和传热的影响，对实现连铸坯表面氧化铁皮减量化以及提高表面质量具有重要理论和实际意义。.课题开展了连铸二冷区气氛氧势及铸坯表面温度以及铸坯成分对氧化铁皮微观结构与生成速率影响，典型钢种连铸坯氧化铁皮生成动力学，氧化铁皮生成对铜富集与迁移行为影响，氧化铁皮对铸坯表面传热影响等研究工作。重要结论如下。.二冷区气氛水蒸汽分压较高时，连铸坯氧化铁皮稳定物相为铁基氧化物；反之则为FeO或FeO与铁基复合氧化物。铸坯表面温度对氧化铁皮生成速率影响显著。Cr元素抑制氧化铁皮生成，铁素体不锈钢连铸坯氧化铁皮厚度远小于碳素钢和低合金钢。.低合金钢和碳素钢连铸坯表面温度较低时，氧化铁皮致密性好且与基体结合紧密；而表面温度较高时，氧化铁皮疏松且界面处有明显裂纹。铁素体不锈钢连铸坯氧化铁皮致密性好于低合金钢与碳素钢，与基体结合紧密。.低合金钢和碳素钢连铸坯氧化铁皮物相组成为FeO、Fe3O4及Fe2O3。碳素钢氧化铁皮中高价铁氧化物所占比例较大。铁素体不锈钢氧化铁皮物相为Fe2O3、FeCr2O4及Cr2O3。铁素体不锈钢和含铬低合金钢在基体/氧化层界面处均存在Cr富集。.低合金钢、碳素钢及铁素体不锈钢连铸坯氧化铁皮生成活化能分别为226.5kJ/mol、221.0kJ/mol及412.2kJ/mol。.含铜钢连铸坯在较高氧势与温度下连续冷却，氧化铁皮疏松，氧化层/基体界面存在裂缝；在较低氧势及较高温度下连续冷却，氧化铁皮与基体结合紧密。高铜钢在较高氧势和温度及较低氧势与较高温度下，氧化铁皮层及界面处均存在Cu富集，界面处裂纹阻碍Cu向氧化层迁移，富Cu相存在基体内。含Ni较高高铜钢氧化铁皮/基体界面前沿的Ni富集实现富铜相被咬合至氧化层内。.高铜钢连铸坯氧化铁皮在二冷区中段生成速率最大，铁素体不锈钢在二冷区上段生成速率最大。二冷区高铜钢连铸坯表面氧化铁皮厚度约为70μm，而铁素体不锈钢为50μm。二冷区高铜钢连铸坯氧化铁皮导热系数为1.8~2.2W/(m•K)，铁素体不锈钢氧化铁皮导热系数为2.1~3.2W/(m•K)。氧化铁皮使高铜钢连铸坯表面传热系数减小1%~4%、表面温度增加15℃；使铁素体不锈钢连铸坯表面传热系数减小1%~6%，表面温度增加20℃。