Influence of humid atmosphere on crystallization behavior of slag systems used in continuous casting of steels

Abstract

The influence of humid atmosphere on crystallization behavior of mold powders used in continuous casting of steel is the subject of the present study. The experimental procedures were conducted at the Institut für Eisen- und Stahltechnologie of the Technische Universtität Bergakademie Freiberg, Germany, and at the Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Brazil. In the present study, the Single Hot Thermocouple Technique (SHTT) was applied for the investigation of the influence of the humidity on crystallization behavior of mold fluxes. Five distinct mold powders compositions were prepared based on the CaO-SiO2-Al2O3-MgOTiO2 slag system and submitted to continuous cooling and isothermal experimental measurements at inert atmosphere of argon (Ar), and at two distinct gas mixtures Ar-water vapor with 3.34 % H2O and 12.49 % H2O. Continuous cooling transformation (CCT) and time-temperature-transformation (TTT) diagrams were obtained and analyzed. CCT and TTT diagrams showed a strong tendency of slags to form glass with increasing TiO2 content (0.5 – 5.0 wt-%); conversely, additions of MgO increase considerably the crystallization rate as well as the crystallization temperature range. The effect of water vapor on the crystallization behavior of the proposed mold powders was distinct according to the slag chemical composition and the temperature. A markedly increase of the crystallization rate and the crystallization temperature range in presence of humid atmosphere was observed in slags with higher polymerization degree. In more depolymerized slags, such an effect is less pronounced, mainly with respect to the crystallization temperature range. Other important aspect observed was the influence of temperature on the effect of water on the crystallization behavior of the mold powders. For a determined slag, water can act either a polymerizing or depolymerizing agent, according to the temperature range, exposing the amphoteric behavior of water. For a same slag system, distinct trends regarding to the effect of water on crystallization behavior as a function of temperature could be observed. It was found that the onset of crystallization was hindering at higher temperatures in measurements conducted in humid atmosphere. At intermediate temperatures, the effect of water on the crystallization was considerably small. However, the crystallization rate was improved at lower temperatures with the presence of water vapor. Such a behavior was attributed to changes of polymerization degree with the temperature. This was more evident in slags with higher nominal NBO/T. It is suggested that the influence of temperature on the effect of water on the crystallization behavior is more intense in slags with in a NBO/T range between 1.0 and 2.0, approximately. Finally, thermodynamic calculations using the FactSage 6.4 software were carried out aiming to estimate the water capacity of the mold powders. The thermodynamic calculation results showed an increase of water capacity of slag with increasing MgO content. The water capacity results were also expressed as a function of some calculated structural parameters, namely, NBO/T and optical basicity. The water capacity showed a large variation in a narrow optical basicity range; while a tendency toward the increase the water solubility with increasing the degree of depolymerization of the slags could be observed.

A influência da atmosfera úmida sobre o comportamentos de cristalização de pós de molde usados no lingotamento contínuo de aços é objeto do presente estudo. Os procedimentos experimentais foram conduzidos no Institut für Eisen- und Stahltechnologie da Technische Universität Bergakademie Freiberg, Alemanha, e na Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Brasil. No presente estudo, a técnica Single Hot Thermocouple (SHTT) foi aplicada na investigação da influência da umidade sobre o comportamento de cristalização dos pós de molde. Cinco composições distintas de pós de molde foram preparadas baseadas no sistema de escórias CaO-SiO2-Al2O3-MgO-TiO2 e submetidas à medições experimentais de resfriamento contínuo e isotérmicas em atmosfera inerte de argônio (Ar), e em duas misturas distintas de Ar-vapor de água com 3.34 % H2O e 12.49 % H2O. Diagramas de resfriamento contínuo (CCT) e de tempo-temperatura-transformação (TTT) foram obtidos e analisados. Os diagramas CCT e TTT mostraram uma forte tendência das escórias de formarem vidro com o aumento do teor de TiO2 (0.5 – 5.0 wt-%); em contrapartida, adições de MgO aumentam consideravelmente a taxa de cristalização, como também o intervalo de temperatura de cristalização. O efeito do vapor de água sobre o comportamento de cristalização dos pós de molde propostos foi distinto de acordo com a composição química e temperatura. Um aumento notável da taxa de cristalização e do intervalo de temperatura de cristalização foi observado em escórias com grau de polimerização mais alto. Em escórias mais depolimerizadas, tal efeito foi menos pronunciado, com respeito, principalmente, ao intervalo de temperatura de cristalização. Outro importante aspecto observado foi a influência da temperatura sobre o efeito que a água exerce sobre o comportamento de cristalização dos pós de molde. Para uma determinada escória, a água pode agir como um agente polimerizador ou depolimerizador, de acordo com o intervalo de temperatura, expondo o comportamento anfótero da água. Para um mesmo sistema de escória, tendências distintas com respeito ao efeito da água sobre o comportamento de cristalização como função da temperatura puderam ser observadas. Verificou-se que o início da cristalização foi obstruído em temperaturas mais elevadas em medições conduzidas em atmosfera úmida. Em temperaturas intermediárias, o efeito da água sobre a cristalização foi consideravelmente pequeno. Entretando, a taxa de cristalização foi melhorada em temperaturas mais baixas com a presença de vapor de água. Tal comportamento foi atribuído à mundanças do grau de polimerização com a temperatura. Isto foi mais evidente em escórias com maior NBO/T nominal. É sugerido que a influência da temperatura sobre o efeito da água sobre o comportamento de cristalização é mais intenso em em escórias em um intervalo de NBO/T entre 1.0 e 2.0, aproximadamente. Finalmente, cálculos termodinâmicos usando o FactSage 6.4 foram realizados objetivando estimar a capacidade de água dos pós de molde. Os resultados dos cáculos termodinâmicos mostraram um aumento da capacidade de água com o aumento do teor de MgO. Os resultados da capacidade de água também foram expressos como função de alguns parâmetros estruturais calculados, a saber NBO/T e basicidade óptica. A capacidade de água mostrou grande variação em um intervalo estreito de basicidade óptica; enquanto uma tendência em direção ao aumento da solubilidade da água com o aumento do grau de depolimerização das escórias pode ser observado.

Der Einfluss der feuchten Atmosphäre auf das Kristallisationsverhalten von Formpulvern, die beim Stranggießen von Stahl verwendet werden, ist Gegenstand der vorliegenden Doktorarbeit. Die experimentellen Verfahren wurden am Institut für Eisen- und Stahltechnologie der Technischen Universität Bergakademie Freiberg und an der Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Brasilien, durchgeführt. In der vorliegenden Studie wurde die Single Hot Thermocouple (SHTT) -Technik angewendet, um den Einfluss von Feuchtigkeit auf das Kristallisationsverhalten von Formpulvern zu untersuchen. Auf der Basis des CaO-SiO2-Al2O3-MgO-TiO2-Schlackensystems wurden fünf verschiedene Formpulverzusammensetzungen hergestellt und einer kontinuierlichen Abkühlung und isothermen experimentellen Messungen in einer inerten Atmosphäre von Argon (Ar) und in zwei verschiedenen Gasgemischen Ar-Wasserdampf mit 3,34% H2O und 12,49% H2O unterzogen. Diagramme zur kontinuierlichen Kühltransformation (CCT) und ZeitTemperatur-Transformation (TTT) wurden erhalten und analysiert. CCT- und TTT-Diagramme zeigten eine starke Tendenz von Schlacken, mit zunehmendem TiO2-Gehalt (0,5 – 5,0 Gew .-%) Glas zu bilden;jedoch die Zugaben von MgO erhöhen die Kristallisationsgeschwindigkeit sowie den Kristallisationstemperaturbereich erheblich. Die Wirkung von Wasserdampf auf das Kristallisationsverhalten der vorgeschlagenen Formpulver war je nach chemischer Schlackenzusammensetzung und Temperatur unterschiedlich. In Schlacken mit höherem Polymerisationsgrad wurde ein deutlicher Anstieg der Kristallisationsrate und des Kristallisationstemperaturbereichs in Gegenwart einer feuchten Atmosphäre beobachtet. In stärker depolymerisierten Schlacken ist ein solcher Effekt weniger ausgeprägt, hauptsächlich in Bezug auf den Kristallisationstemperaturbereich. Ein weiterer wichtiger Aspekt war der Einfluss der Temperatur auf die Wirkung von Wasser auf das Kristallisationsverhalten der Formpulver. Für eine bestimmte Schlacke kann Wasser je nach Temperaturbereich entweder als Polymerisations- oder Depolymerisationsmittel wirken und das amphotere Verhalten von Wasser freilegen. Für dasselbe Schlackensystem konnten unterschiedliche Trends hinsichtlich des Einflusses von Wasser auf das Kristallisationsverhalten als Funktion von Wasser beobachtet werden. Es wurde festgestellt, dass der Beginn der Kristallisation bei höheren Temperaturen und bei Messungen in feuchter Atmosphäre behindert wurde. Bei Zwischentemperaturen war die Wirkung von Wasser auf die Kristallisation beträchtlich gering. Die Kristallisationsrate wurde jedoch bei niedrigeren Temperaturen in Gegenwart von Wasserdampf verbessert. Ein solches Verhalten wurde auf Änderungen des Polymerisationsgrades mit der Temperatur zurückgeführt. Dies zeigte sich am deutlichsten bei Schlacken mit einem höheren nominalen NBO/T. Es wird vermutet, dass der Einfluss der Temperatur auf die Wirkung von Wasser auf das Kristallisationsverhalten in Schlacken in einem Bereich von NBO/T zwischen ungefähr 1,0 und 2,0 stärker ist. Schließlich wurden thermodynamische Berechnungen mit FactSage 6.4 durchgeführt, um die Wasserkapazität der Formpulver abzuschätzen. Die Ergebnisse thermodynamischer Berechnungen zeigten eine Zunahme der Wasserkapazität mit einer Zunahme des MgO-Gehalts. Die Ergebnisse der Wasserkapazität wurden auch als Funktion einiger berechneter Strukturparameter ausgedrückt, nämlich NBO/T und optische Basizität. Die Wasserkapazität zeigte große Unterschiede in einem engen Bereich der optischen Basizität; während ein Trend zur Erhöhung der Wasserlöslichkeit mit zunehmendem Grad der Schlackendepolymerisation beobachtet werden kann.