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1、高速连铸用保护渣性能研究高速连铸用保护渣性能研究 来源：制钢参考网 作者： 发布时间：2009.05.27 1 高速连铸的技术特点及对结晶器保护渣的要求与常速连铸工艺不同，由于拉速提高，使结晶器内钢水凝固条件发生了较大变化，给改善铸坯质量和稳定连铸操作带来一系列困难。高速连铸所呈现的每一个技术特点及产生的困难，均与结晶器保护渣有直接的关系，为此，各国冶金工作者非常重视高速连铸结晶器保护渣的研究。研究表明，高速连铸保护渣必须满足如下要求：1)高的熔化速度，能够及时补充液渣的快速消耗。2)高的液渣流入能力，获得较大的渣耗量，以满足结晶器润滑的要求。3)结晶器与铸坯间渣膜均匀，使铸坯传热均匀，防止裂
2、纹的产生。4）对于易裂的钢种，渣膜应具有一定的热阻，防止热流过大，造成应力集中。5)稳定的熔融结构，不会由于拉速的较大波动影响熔渣层厚度。6)适宜的析晶能力，满足减小结晶器与铸坯间的摩擦力及特殊钢种控制热流的要求。7)高的物性稳定能力，不会由于液渣在结晶器内成分或温度变化呈现大的物性波动。2 高速连铸保护渣的物化特性连铸保护渣的配制原则一般是以 SiO2 一 CaOA12O3 系的低熔点、低黏度区为基础，并用适量的 Na2O、CaF2 等调整熔点和黏度。但各国由于不同的资源情况和浇铸特定钢种的需要，也有用 Li2O、BaO、NaF、A1F3、B2O3 等物料对其性能进行调整的。与普通连铸用保护
3、渣相比，高速连铸用保护渣要求具有较低的黏度和较低的熔融温度。在普通连铸保护渣中一般用 Na2O、CaF2 等助融剂来降低保护渣的黏度和熔融温度。但若要满足高速连铸的要求，采用加大 Na2O、CaF2 剂量的方法是不可取的。因大量的 CaF，会引起枪晶石(3CaO?2SiO2?CaF2)等高熔点物质的析出，从而破坏熔渣的玻璃性使润滑条件严重恶化，另外 F 离子含量过高会对侵入水口造成严重侵蚀；熔渣中 Ba2O 含量过高容易析出霞石(Na2O?Al203?SiO2)，不利于结晶器润滑，故一般将含量控制在 10以下。高速连铸保护渣中加入 CaO 可明显降低熔渣的黏度。同时，因保护渣碱度的提高，也增强
4、了保护渣溶解、吸收氧化物夹杂的速度。但随温度变化，碱性保护渣的黏度变化极大。在液相线附近，由于保护渣的结晶能力增强，不断有晶体析出，严重破坏了熔渣的玻璃性，恶化了润滑条件。日本专家经过长期的研究，发现随保护渣碱性的增大，晶体析出温度增高，结晶化倾向增大。使用这类保护渣会使结晶器摩擦阻力增大，漏钢发生概率增加。降低基料的熔融温度及保护渣的碱度，减少助溶剂加入量，对于抑制保护渣结晶化倾向，防止发生漏钢是非常有效的。一般可将保护渣中的碱度控制在 08 左右。因此，高速连铸保护渣中 CaO 的加入量应控制在一个比较合适的范围内，才能既降低保护渣的黏度，又使保护渣具有合适的碱度。高速连铸保护渣中加入一定
5、的 Li2O 和 MgO，也可降低保护渣的黏度及软化温度。用这种方法可降低初晶体析出温度，扩大液态渣润滑区，并降低渣的碱度，限制渣中 F 离子含量。而BaO、B2O3 对于降低熔渣的黏度及软化温度、抑制晶体析出增大保护渣的消耗量具有一定的作用。连铸机的浇铸速度、保护渣黏度，及结晶器的负滑脱率等因素对结晶器摩擦阻力影响很大。在浇铸速度、黏度及负滑脱率数值增大时，结晶器摩擦阻力增大；同时，黏度较大的保护渣会使渣耗降低，熔渣流人量减小，从而使渣膜变薄且不均匀，结果也会使结晶器的摩擦阻力增大。凝固初期的坯壳受到附加的外力作用，造成钢坯缺陷，严重时可能漏钢。降低连铸保护渣的黏度，软化温度和结晶温度，对增
6、大渣耗，降低结晶器摩擦阻力非常有利。因此，为满足高速连铸的需要，保护渣应具有较低的黏度，较低的晶体析出温度，较低的软化及熔融温度，合适的碱度，同时还应限制 Na2O、CaF2 的加入量。保护渣中加入适量的BaO、B2O3、Li2O、K2O、MgO 等助溶剂，有利于降低黏度和软化温度，抑制晶体的析出。3 高速连铸保护渣的熔化速度及熔融结构由于高速连铸拉坯速度较高，且拉速的变化较大，使得保护渣的消耗量大幅度降低，从而带来一系列的不良后果。良好的保护渣应具有在高拉速及拉速变化较大的情况下仍能维持足够大渣耗的特征。因此要求用于高速连铸的保护渣应具有较快的熔化速度，以保护足够的熔渣厚度，满足充填到结晶器
7、与坯壳间渣膜消耗的需要。但保护渣的熔化速度并非越快越好，熔化速度太快势必影响其保温性能，容易形成冷皮及造成皮下夹渣多、振痕深等缺陷。当熔渣层厚度在 1030mm 之问时，一般认为保护渣的熔化速度比较合适。一般情况下，保护渣的熔化速度是用碳来调节。碳的种类、加人量、粒度及配碳方法对保护渣的熔化速度及熔融结构影响很大，加人碳材料的含碳量越高、分散度越大，影响熔化速度的作用也就越强，所以碳黑的作用明显强于石墨。碳黑的分散度较大，着火温度较低，在较低温度下可充分发挥隔离基料粒子的作用。石墨着火温度较高，在高温下作为骨架粒子较为适宜。利用二者的优点，采用混合配碳方法能有效地控制保护渣的熔融特性，使其在相
8、对宽的温度范围内保持较稳定的熔融特性从而可满足高拉速及拉速变化较大的连铸工艺需求。普通连铸保护渣的渣层结构一般分为粉状层、过渡层和熔渣层三层，而高拉速连铸保护渣具有四层熔渣结构即粉渣层、烧结层、半熔层和熔渣层。半熔层应具有足够的厚度，这样一是可以提高保护渣的绝热保温性能；二是可以保证向熔渣层不断提供熔渣滴。当高拉速或拉速变化比较大时，熔渣层应仍可维持足够厚度，以保证不断流和不让固态渣粒流入。4 高速连铸用结晶器保护渣的研究现状根据高拉速对结晶器保护渣的要求，国内外许多研究人员作了高速连铸用保护渣的研制工作。目前见诸报道的适用铸速最高的实际用保护渣为 Hysa 厂所使用的保护渣(拉速=36m?m
9、in1)。高速连铸用保护渣几乎都具有低 Al2O3 和高金属氧化物的特点。同时限制Na2O 和 CaF2 的用量，改善渣的玻璃特性。一定量的 BaO、B2O3、Li2O、K2O、MgO 等助熔剂加入渣中有效地降低黏度，抑制结晶化倾向。对于中碳钢和低碳钢用渣，日本研制出了适用于最高拉速达 3m?min 一 1 实验用渣，其显著的成分特点是加入促进渣析出晶体的 ZrO2。该保护渣可使保护渣的结晶温度 Tc 提高，热流减少，从而降低纵裂的产生。国内张贺林等研制的薄板坯连铸用保护渣适用的最高拉速达 35m?min1，唐萍等取得了同样的成果。为适应高拉速连铸对保护渣熔融特性的要求，高速连铸用保护渣普遍采
10、用复合配碳。Sakuraya 等研究结晶器内取出预熔渣样的熔化行为，发现细碳粒子阻碍了渣滴间的聚合，有利于薄层半融物质的形成( 型熔化行为)；而粗碳粒子导致较大的液滴聚合体的形成( 型熔化行为)。“ 型”温度梯度较陡，半融层较薄，因而绝热性能好，熔融特性更稳定。根据不同的配碳量和配碳类型对结晶器保护渣的熔融结构的影响，谢宾等得到三种不同的熔融结构，一般认为具有半融层的多层结构比两层或三层结构具有更多的优点。和三层结构相比，多层结构的烧结层更薄，这将降低熔渣黏附于结晶器的可能性。与后两种结构相比较，由于半融层的存在，液渣的生成能力更强，从而多层结构更容易适应浇铸时工艺参数改变。熔渣的熔化速率主要
11、取决于渣中混合的碳质材料。因为碳和基料间具有高的界面张力，所以碳难于被熔渣吸收、浸润和同化。由于碳质材料阻碍了渣滴的聚集，控制了传热和熔化速率，即起了通常所称的骨架作用。对于通用的碳质材料石墨型和碳黑型，前者分解度小，着火点高，超额表面自由能较低，因而高温下能充当熔渣的良好骨架；后者分解度较大，着火点低，在低温下起骨架作用。复合配碳使得熔化速率随渣中碳量的变化而改变很平缓。保护渣在受热熔化时，或多或少的会发生分融现象。机混渣该现象较显著，尤以传统机混渣突出。这可能使熔渣在时空上偏离粉渣颗粒渣的平均成分，从而在局部造成熔渣性状的显著变迁，以致在铸坯表面造成缺陷。Emi 等研究了不同粉渣和颗粒渣的
12、熔化模式。他们将不同渣样放人 A12O3 坩埚于1400下单向加热 10min，然后冷却坩埚。剖开后研究形成层的结构和厚度发现：颗粒渣由颗粒渣层、烧结层、半融层和熔融层组成；粉渣和粉状颗粒渣并未经历层状熔融过程，而且在烧结层内形成了许多熔渣团。5 高速连铸保护渣研究工作建议为加速我国高速连铸技术的发展，在高速连铸保护渣的研制方面，笔者认为有必要在以下工作方面加以深入：1)剖析国外高速连铸保护渣，从中吸取经验，为尽快发展我国高速连铸保护渣奠定基础。2)开展高速连铸保护渣基础性研究，包括 Li2O 等新型添加剂对保护渣物性的影响规律、作用机理及保护渣在高速连铸结晶器内的冶金行为的研究。3)针对板坯、小方坯连铸的工艺特点，开发研制与之相适应的高速连铸保护渣。4)引入新的理论和方法，开发连铸保护渣设计方法，提高连铸保护渣设计水平。
