TiO2含量对CaO-Al2O3-TiO2基连铸保护渣界面性质的影响
王杏娟1,2，王宇1,2，朱立光3，邸天成1,2，朴占龙2
(1. 华北理工大学冶金与能源学院， 河北 唐山 063210；2. 河北省高品质钢连铸技术创新中心， 河北 唐山 063000；3. 河北科技大学材料科学与工程学院， 河北 石家庄 050000)
摘要：采用热丝法对不同TiO2含量的CaO-Al2O3-TiO2基保护渣进行接触角试验，计算出保护渣表面张力和钢渣界面张力，分析TiO2含量对保护渣接触角、表面张力、界面张力的影响规律。结合拉曼光谱，分析TiO2在微观结构上对钢渣界面张力的影响机理。研究结果表明，1 723 K温度下，保护渣中TiO2质量分数为4%~12%时，接触角为15.3°~38.5°，保护渣表面张力为523~541 mN/m；在保护渣TiO2质量分数为4%~10%和10%~12%时，钢渣界面张力变化量分别为4 mN/m和82 mN/m。TiO2质量分数为4%~10%时，界面张力基本保持不变，钢渣间界面反应变弱，钢渣易分离，更符合高钛钢连铸生产的需求。随着TiO2含量的增加，离子半径增加，阴阳离子间距增大，熔体内主要阴离子为TiO44-单体和Ti2O46-链单元，复合阴离子被排挤到熔体表面，阴阳离子间结合力降低，进一步导致表面张力降低。
关键词：高钛钢； 保护渣； 接触角； 表面张力； 热丝法； 拉曼光谱
1 引言
高钛钢作为一种特殊高合金钢种，近年来在航空航天、生物医药、军事化工等领域的应用越来越广泛。高钛钢具有耐腐蚀性能良好、低温性能好、强度高、导热系数小等特点。常见含钛合金钢Ti质量分数为0.05%~0.20%，其种类可简单分为低合金结构用钢、深冲钢、不锈钢、含硼钢和焊丝钢等。
在高钛钢连铸过程中，高钛钢中Ti易与保护渣中SiO2发生钢渣界面反应生成高熔点化合物，出现在结晶器钢液面的冷钢和难熔化的物质混合保护渣后，易产成“结鱼”，保护渣流入通道受到阻碍，难以实现高钛钢多炉连浇，恶化铸坯表面质量，产生凹陷、裂纹、夹渣等现象，甚至会引发黏结漏钢。研究发现，通过在保护渣中适量加入TiO2，可以有效抑制钢渣界面反应，使连铸过程顺行。
界面性质是钢液与熔渣界面间的一种重要性质，现已被广泛研究。LIU Yan-hui等采用滴落法研究了TiO2含量对1 673 K熔渣表面张力的影响，结果表明，TiO2在CaO-SiO2-MgO-Al2O3-TiO2渣系中起表面活性剂的作用，加入TiO2会引起熔体表面张力的降低。毛裕文等用浮滴法测定了CaO-SiO2-TiO2-Al2O3-MgO系熔渣与攀钢高炉生铁间的界面张力，结果表明，随着渣中TiO2含量的增加，生铁与熔渣间的接触角和界面张力均下降。Kim J B等采用固滴法研究了TiO2对TiO2-MnO-SiO2-Al2O3四元焊剂润湿性的影响，发现随着TiO2的增加，液体助焊剂与Pt-10Rh间的界面张力降低，表面张力增加。Sharan A等研究Fe-Ni合金与CaO-Al2O3基熔渣在1 550 ℃的界面张力，发现向熔渣中添加TiO2会显著降低合金与熔渣间的界面张力。学者们有关TiO2钢渣界面张力影响规律的说法各抒己见，缺少系统研究。
根据熔渣离子理论模型，研究者认为熔渣内含有大量的氧化物离子结构，因此熔渣的表面张力与构成渣体各个组分的表面张力有关。研究证明，保护渣熔体中存在的正离子、简单负离子和复杂负离子向各个方向均等的拉动，熔体表面主要为O2-离子，熔体内阳离子与O2-的作用力大小即为熔体表面张力的大小。
本文通过采用SHTT（Single Hot-Thermocouple Technique）设备研究含量不同的TiO2对高钛钢与CaO-Al2O3-TiO2基保护渣界面性质的影响，探讨TiO2含量对接触角、表面张力、钢渣界面张力的影响规律。并进一步通过Raman光谱仪分析TiO2在微观结构上对钢渣界面反应影响的机理。
2 精选图表
3 结论
(1)1~5号高钛钢保护渣的润湿角分别为38.5°、38.4°、37.9°、36.7°和15.3°；表面张力分别为541、535、531、526、523 mN/m；界面张力分别为1 421、1 424、1 425、1 422、1 340 mN/m。随着保护渣中TiO2含量的增加，保护渣接触角减小、表面张力减小，在保护渣中TiO2质量分数为4%~10%和10%~12%时，界面张力变化量分别为4、82 mN/m。
(2)保护渣中TiO2质量分数为4%~10%时，钢渣间界面张力基本保持不变，钢渣间界面反应变弱，钢渣易分离；保护渣中TiO2质量分数为10%~12%时，界面张力下降较快，界面发生反应，不利于钢渣间的分离。保护渣中TiO2质量分数为4%~10%更符合高钛钢连铸生产的需求。
(3)随TiO2含量的增加，离子半径增大，阴阳离子间距增大，熔体内主要阴离子为TiO44-单体和Ti2O46-链单元，复合阴离子被排挤到熔体表面，阴阳离子间结合力降低，进一步导致表面张力降低。
