增碳

增碳是指增加耐火材料中含碳量的方法。在澆鑄超低碳鋼時, 最突出的問題是保護渣對鋼水的增碳, 它可能是連鑄操作成功與否的關鍵。單純降低原始渣的碳含量, 固然能減少鋼水增碳, 但由此會引起一系列不良後果。

基本介紹

• 中文名：增碳
• 外文名：carburization
• 學科：冶金工程
• 領域：冶煉
• 釋義：增加耐火材料中含碳量
• 溶解度：0.1 %～ 0.2 %

簡介

在澆鑄超低碳鋼時, 最突出的問題是保護渣對鋼水的增碳, 它可能是連鑄操作成功與否的關鍵。單純降低原始渣的碳含量, 固然能減少鋼水增碳, 但由此會引起一系列不良後果。目前的保護渣尚需利用碳作為阻隔層和骨架調節熔化速度, 得到滿意的渣層結構, 從而實現其各項功能, 碳是保護渣組成中不可或缺的成分。

鑄坯增碳的主要原因是保護渣的富碳層, 該層的碳含量最高可達原始渣碳含量的6 倍, 而且呈非燒結性, 當熔渣層薄並出現波動時, 就容易導致富碳層與鋼水接觸甚至卷渣,造成鋼水增碳, 認為只要在澆鑄狀況穩定的條件下,保持熔渣層厚度足夠(10～ 15 mm ) , 當原始渣中自由碳含量僅為1 % 左右時, 保護渣不會對鋼水增碳。這在通常鋼水[C ]< 0.02 % 的情況下, 增碳問題並不突出, 但隨著鋼中要求的碳含量越來越低,尤其是一些超純潔鋼要求[C ]< 0.003 % , 並且在實際連鑄過程中即使操作條件正常, 或多或少都存在鋼水增碳。目前國內增碳水平一般在0.001 % 左右,而國外先進廠家可將其控制在0.000 3 % 範圍內,所以必須解決增碳問題。

增碳的方法

增碳的方法有:

（1）在配料中加人石墨、焦炭等碳質物料;

（2）以含碳高的焦油瀝青和其他有機物作為結合劑;

（3）對多孔耐火顆粒料進行預先浸漬;

（4）對焦油瀝青結合的耐火製品進行輕燒並進行油浸;

（5）對燒結的耐火製品進行油浸或多次油浸等。

耐火材料經增碳後可提高高溫強度、抗熱震性能和抗渣性能，還可提高其使用壽命。增碳有時僅僅是指對輕燒或燒成的耐火製品進行油浸和碳化處理而使製品中含碳量增加。

研究與分析

研究鋼水增碳機理, 有必要也應該對與鋼水直接接觸的熔渣進行分析研究。只有了解增碳來源, 才能消除或使之最小。

保護渣的熔渣屬矽酸鹽熔體, 碳在這類熔體中的溶解度為0.1 %～ 0.2 %,用剛玉坩堝作了數種超低碳鋼連鑄用保護渣熔融模型實驗, 將冷卻後的熔渣進行碳量分析, 後來又去某鋼廠連鑄車間取現場結晶器內熔渣樣分析。兩者有一定的出入, 這是由於碳的燒損情況不一樣。但不管怎樣, 它們的含量仍大大的高於超低碳鋼的碳量保護渣熔渣中的碳包括溶解的和未溶解的。溶解碳以原子形態存在於熔渣中, 通過擴散向鋼水傳質; 而未溶解碳則是以細小顆粒的形態存在於渣中,這些顆粒碳在渣中一方面受浮力的作用上浮, 另一方面隨熔渣沿結晶器壁流失而下沉, 兩者同時進行,一旦碳顆粒下沉速度大於其上浮速度, 碳粒子就會與鋼水直接接觸, 由於碳在鋼水中的溶解度較大, 很容易造成鋼水增碳。

與鋼水接觸的熔渣中溶解碳的擴散

該過程由兩液相內的傳質和界面溶解環節組成。可以根據這串聯相接的三個環節的速率在準穩態中趨於相等的原理導出總過程的速率式。

在一般正常情況下, 由於熔渣中碳的擴散, 鋼水增碳量可達0.000 7 % , 要想減少鋼水增碳量, 有必要也必須降低熔渣中碳含量。

實際上, 隨著熔渣向結晶器四周的流失和新熔渣的不斷補充, 以及鋼水的持續注入, 實際渣—鋼界面進行對流擴散, 儘管熔渣流速不大, 但對流傳質總比分子擴散大, 更加有利於鋼水的增碳。

熔渣中碳顆粒上浮速率

首先, 認為鋼水表面的保護渣, 當熔渣排出時,只有與鋼水接觸而處於最高溫度下的粘度較低的熔渣層才可能向四周移動, 而其它較粘的液渣層、燒結層和粉渣層僅僅下沉。

熔渣流失引起的熔渣層下降速率

假定從結晶器彎月面處流入的熔渣在與結晶器銅壁接觸的部分是靜止的, 而與凝殼接觸的部分是運動的; 不考慮沿結晶器的橫向運動; 熔體為牛頓液體; 結晶器保護渣的密度和粘度認為是常數; 在結晶器上部, 認為凝殼中由於鋼水的靜壓力所引起的應力可忽略不計。

總結

(1) 鋼水中碳的溶解度非常大, 而與之直接接觸的熔渣中碳量高出一個數量級, 鋼水增碳是不可避免的。

(2) 溶解碳向鋼水擴散過程的控制環節是碳在熔渣中的擴散, 擴散量與碳在渣中的傳質係數成正比。

(3) 為了避免或減少鋼水增碳, 必須降低熔渣中碳含量。可以在滿足基本性能要求的基礎上, 儘量減少原始渣的配碳量, 或採取其它一些措施阻止碳溶入熔渣。