79高拉速中碳鋼連鑄保護渣的開發(fā)

1、高拉速中碳鋼連鑄保護渣的開發(fā)陳 敏1，李學慧1，2（1.東北大學材料與冶金學院，遼寧 沈陽 110004；2.鞍鋼實業(yè)公司，遼寧 鞍山 114000）摘 要：結晶器保護渣是連鑄生產(chǎn)過程中重要的輔助材料，其性能優(yōu)劣對連鑄工藝順行及鑄坯質量產(chǎn)生重要的影響。中碳鋼自身的凝固特點使其對連鑄保護渣提出了更嚴格的要求。本研究根據(jù)中碳鋼連鑄的特點，研究了原料組成對保護渣性能的影響規(guī)律，并在此根底上開發(fā)了中碳鋼連鑄系列保護渣。研究結果說明，在保護渣中配入B2O3、Li2O、MnO等特殊組分，不僅降低保護渣的析晶溫度和轉折溫度，而且促使固態(tài)結晶渣膜晶粒細小，因此可以防止保護渣熔渣在冷凝過程中析出高熔點固相，使結

2、晶器內靠近鑄坯外表的渣膜為液態(tài)，確保鑄坯外表的潤滑效果，同時又可使靠近結晶器壁的渣膜形成結晶狀態(tài)以到達減緩和均勻傳熱的效果。在實驗室研室研究的根底上，本研究開發(fā)的系列連鑄保護渣在實際生產(chǎn)中獲得了良好的使用效果，有效地促進了鑄坯質量的提高。關鍵詞：連鑄，保護渣；理化性能；結晶行為；中碳鋼Development of Mould Powder for High Speed Continuous Casting of Medium-Carbon Steel SlabCHEN Min1 Li Xue-Hui1，2（1. School of materials and metallurgy, North

3、eastern University, Shenyang, Liaoning, 110004 China;2. Industry Co. Ltd, Anshan Iron and Steel Group Corporation, Anshan, Liaoning, 114000China）Abstract: Mold powder as an important supplemental materials for continuous casting, its properties determines the slab quality directly, and more strict r

4、equirements are necessary for the continuous casting of medium-carbon steel slab for its solidification characters. The present work studied the effect of composition on properties of mould powder and developed a serious products for continuous casting of medium-carbon steel. The results showed that

5、 both crystallization and breaking temperatures were decreased, and the grain size in the solidified flux film was also deceased by inducing some special component such as B2O3, Li2O, MnO. Consequently, by preventing precipitation of high melting phases during cooling process, liquid flux film on th

6、e surface of solidified shell was formed to insure the greasing performance, and at the same time, the crystallized flux film was formed on the side of mould wall to maintain weak and homogeneous heat transfer. Based on the above studies of laboratory work, a serious products of mold powder was deve

7、loped , and the practical application of the serious products showed good performance and the slab quality was effectively improved for continuous casting of medium-carbon steel.Key words: continuous casting, mould powder; physical-chemical properties; crystallizing behavior; medium-carbon-steel cas

8、ting1 前言連鑄保護渣在連鑄結晶器內具有隔熱保溫、吸收鋼液中上浮夾雜、防止鋼液二次氧化、控制鑄坯向結晶器傳熱及潤滑鑄坯等作用，是連鑄生產(chǎn)過程中重要的輔助材料，其性能優(yōu)劣對連鑄工藝順行及鑄坯質量產(chǎn)生重要的影響1,2。連鑄生產(chǎn)中碳鋼時，由于凝固坯殼在冷卻過程中發(fā)生包晶反響時伴隨有明顯的體積效應，容易在鑄坯外表產(chǎn)生縱裂等質量缺陷，影響鑄坯的成材率。因此，中碳鋼連鑄對結晶器保護渣提出了更嚴格的質量要求。特別在高拉速條件下，通過控制原料條件，調整保護渣的熔化特性并協(xié)調玻璃體與結晶體的比例，使保護渣能夠均勻地填充進凝固坯殼與結晶器間的空隙，既能保證潤滑良好，還能實現(xiàn)均勻傳熱和緩冷的效果，以促進中碳鋼鑄

9、坯質量的提高3,4。因此，本論文針對包晶鋼凝固特點，通過研究保護渣組成對其熔化和結晶特性的影響規(guī)律，開發(fā)了高拉速中碳鋼連鑄保護渣，并在實際應用中取得了良好的效果5, 6。2 實驗方案實驗室研究采用分析純化學試劑為原料。將原料在500°C烘干去除水分及揮發(fā)份后，進行配料，混和，并利用熔點熔速儀測定試樣得熔化溫度和利用高溫粘度計測定試料的粘度，來考察原料組成對保護渣熔化溫度和粘度的影響規(guī)律。通過測定保護渣黏度-溫度（-T）曲線確定轉折溫度（Tb）和觀測凝固后渣樣的端口確定結晶體比例Rp來評價保護渣的結晶性能和玻璃化特性。其中，保護渣-T曲線的測定方法是取150g保護渣在1300°

10、;C熔化并恒溫30min，然后以5°C/min的降溫速度降溫，測試-T曲線。保護渣產(chǎn)品是以水泥熟料、硅灰石、蘇打、玻璃粉、螢石、預熔料及碳質材料等為原料而制成，通過考察結晶器液面狀況（包括保護渣的鋪展性、熔化均勻性、液面渣圈情況、液渣層厚度、粘結及漏鋼等）和鑄坯外表質量（包括鑄坯外表裂紋、平整性、振痕及凹坑等），評價開發(fā)產(chǎn)品的實際應用效果。3 結果與討論3.1 原料組成對保護渣熔化溫度和粘度的影響結晶器出口處的鑄坯溫度一般在1200°C以下，為保證保護渣渣膜在鑄坯與結晶器縫隙間均勻分布，并具有一定的液態(tài)層，一般要求保護渣的熔化溫度小于1200°C。為了同保護渣的熔

11、化速度、鑄機拉速、鋼水過熱度等參數(shù)相匹配，不同鋼種和鑄機對保護渣熔化溫度的要求是不一樣的。國內外均采用半球點熔點儀檢測保護渣的熔化性溫度，這種方法檢測出的熔化溫度稱為半球點溫度，反映的是保護渣這類硅酸鹽物質的熔化性能7,8。圖1和圖2是保護渣成分對其熔化溫度和粘度的影響。Na2O、Li2O、B2O3、F-都能顯著降低保護渣的熔化溫度，含量越多，作用越明顯。但Na2O含量不宜過高，否那么有可能析出高熔點的霞石（Na2O·Al2O3·SiO2），使保護渣熔化溫度升高。Li2O是一種強助熔劑，對降低保護渣熔化溫度的作用比Na2O更強，即使含量很低，對保護渣的熔化溫度也有較大影響。

12、F-和B2O3也都能降低保護渣的熔化溫度，但這兩種成分的含量不能過高，否那么將對浸入式水口侵蝕嚴重，影響連鑄生產(chǎn)穩(wěn)定順行。MgO本身是高熔點組分，且在渣中能夠形成鎂橄欖石和鎂鋁尖晶石等高熔點相，使保護渣的熔點升高。Al2O3在本實驗條件下對保護渣熔點的影響不大。含量低時有一定的降低熔化溫度的作用，但在含量較高時，由于易生成鈣長石，可能使保護渣的熔點升高。由于TiO2與CaO反響生成鈣鈦礦，使保護渣的熔點明顯升高。（a） 熔化溫度（b） 粘度Fig.1組成對保護渣熔化溫度和粘度的影響Fig.1 Effect of composition on melting temperature and vi

13、scosity of mould powder.保護渣熔渣粘度作為另一個重要的物性指標，只有與澆鑄工藝相匹配，才能使保護渣熔渣順利填入結晶器與鑄坯間空隙，并形成一定的渣膜厚度，保證適宜的傳熱速度和良好的潤滑。結晶器內與鋼液和凝固坯殼接觸的保護渣處于15501100°C的溫度區(qū)間內，因而通常采用1300°C時的粘度作為衡量保護渣流動性能的一個重要的指標。（a） 熔化溫度 （b） 粘度Fig.2 Li2O和B2O3對保護渣熔化溫度和粘度的影響Fig.2 Effect of Li2O and B2O3 on melting temperature and viscosity of

14、 mould powder.從圖1和圖2還可看出，Na2O、Li2O、B2O3、F-都可以降低保護渣的粘度，其中Li2O、F-降低粘度的作用比擬顯著，而Na2O、B2O3降低保護渣粘度的作用比Li2O、F要弱一些。Al2O3使保護渣粘度升高，當保護渣溶解Al2O3的能力較差時，析出Al2O3高熔點質點，熔渣粘度急劇升高，結晶器內保護渣急劇惡化，影響連鑄正常生產(chǎn)。所以在澆鑄鋁鎮(zhèn)靜鋼、高鋁鋼時，必須設計適宜的基渣成份，使其具有良好的溶解Al2O3的能力，保證保護渣具有相對的熱穩(wěn)定性。此外，少量添加TiO2（2%-4%）能夠在一定程度上降低保護渣粘度，當含量較高時，那么使粘度略有提高。在本實驗條件下

15、，MgO對粘度有輕微的降低作用。圖3是堿度（CaO/SiO2）對保護渣熔化溫度和粘度的影響。由于渣中CaO容易與其它成份反響，生成高熔點的結晶礦物（如鈣鈦礦、硅酸二鈣、鈣長石等），因此在本研究的實驗條件范圍內，隨著堿度的增加，保護渣的熔化溫度升高。此外，隨著堿度的升高，保護渣的粘度明顯降低。這是因為堿度增加，CaO向熔渣中提供O2-促使硅-氧聚合體解體，復合陰離子團變小，粘流活化能降低，熔渣粘度下降。（a） 熔化溫度（b） 堿度Fig.3堿度對熔化溫度和粘度的影響Fig.3 Effect of basicity on melting temperature and viscosity of m

16、ould powder.3.2 原料組成對保護渣玻璃化與結晶性能的影響圖4為堿度對保護渣轉折溫度和析晶率的影響。隨堿度升高，保護渣玻璃化特性減弱，結晶率增大。當堿度大于1.11時，保護渣中開始析出晶體；當堿度到達1.151.20時，保護渣結晶率到達3060%；當堿度到達1.30時，保護渣結晶率到達100%。由圖還可看出，當保護渣堿度大于1.27時，保護渣-T曲線的轉折溫度超過1200°C。當堿度到達1.30時，保護渣-T曲線的轉折溫度為1220°C；當保護渣堿度為1.41時，保護渣-T曲線的轉折溫度到達1245°C。生產(chǎn)實踐證明，轉折溫度過高會降低保護渣的液體潤滑

17、效果，并減少保護渣的流入量，拉漏的可能性增加；轉折溫度過低，坯殼與結晶器之間液體保護渣興旺，傳熱速率過強。只有使保護渣的轉折溫度控制在適宜的溫度范圍，才既能夠保證良好的潤滑效果，又能控制傳熱速率。因此，為協(xié)調并保證鑄坯的潤滑和控制傳熱，要針對具體的連鑄工藝條件，確定適宜的保護渣堿度范圍從而到達最正確的轉折溫度區(qū)間。（a） 轉折溫度（b） 析晶率圖4 堿度對結晶特性的影響Fig.4 Effect of basicity on crystallization behavior of mould flux.圖5為保護渣成分對玻璃化特性和析晶行為的影響。在堿度為0.9的基渣中外加CaF2后，隨添加量增

18、加，綜合堿度提高，保護渣玻璃化特性減弱。當CaF2含量大于13%，渣樣冷凝過程中開始析出晶體，但當CaF2含量超過15%，-T曲線轉折溫度超過1200°C。因此，為協(xié)調保護渣玻璃化特性和結晶性能，CaF2含量只能在1315%這一較窄的區(qū)間內進行調節(jié)。CaF2含量過高，不僅使轉折溫度超過1200°C而導致保護渣喪失潤滑功能，而且在結晶器鋼液面上熔渣層對水口的侵蝕加劇，不利于多爐連澆和連鑄生產(chǎn)的順行。B2O3屬酸性氧化物，故保護渣中參加B2O3可顯著促進熔渣玻璃化，改善結晶器與坯殼之間的潤滑。在高拉速板坯連鑄中，保護渣中參加了一定量的B2O3，極大的降低了坯殼與結晶器間的摩擦力

19、，保證連鑄生產(chǎn)穩(wěn)定順行。此外，B2O3熔點（450°C）低，易形成低共熔物，還能顯著降低保護渣熔化溫度，提高結晶器內熔渣的過熱度，使復合陰離子鍵因熱振動的加劇而解體，降低熔渣粘度。在堿度R為1.30的渣樣中外加B2O3后，隨B2O3含量的增加，-T曲線轉折溫度逐漸降低，熔渣結晶特性減弱。當B2O3含量大于1.5%時，渣樣冷凝過程中即有玻璃體出現(xiàn)，當B2O3含量超過5%時，渣樣冷凝時完全轉變?yōu)椴ＡB(tài)。因此，為了協(xié)調保護渣玻璃化特性和結晶性能，B2O3含量也只能在較窄的區(qū)間內進行調節(jié)。（a） 轉折溫度 （b） 析晶率Fig. 5保護渣成分對轉折溫度和析晶率的影響Fig.5 Effect

20、of composition on crystallization behavior of mould flux.Li2O屬堿性氧化物，隨著Li2O含量的增加，保護渣轉折溫度變化的總趨勢是下降的，而其結晶率變化的總趨勢是先增加后減少，在2%附近時，結晶率到達最大。隨著保護渣中MnO、Na2O含量增加，保護渣的轉折溫度降低，且添加MnO可使析晶比例Rp提高。3.3 保護渣成分設計及其實際應用根據(jù)以上研究結果，并結合包晶鋼成分鋼種的凝固特點，為有效防止因包晶反響引起的凝固初生坯殼的不均勻收縮誘發(fā)的鑄坯外表縱裂紋和皮下微裂紋等缺陷，充分協(xié)調潤滑和控制傳熱功能，以水泥熟料、硅灰石、蘇打、玻璃粉、螢石、

21、預熔料、碳質材料等為原料，按表1所示的保護渣主要成份，設計了系列包晶鋼連鑄保護渣，使Tb1225°C，Rp=40100%。表1 連鑄?；鼔A度及其主要成分, %Table 1 Basicity and main composition of mould powder.CaO/SiO2MgONa2OMnOB2O3F1.151.30258120402.558在國內幾家鋼廠中生產(chǎn)Q215、Q235、16Mn、16MnR、A36等鋼種的應用結果說明，本研究開發(fā)的系列連鑄保護渣在使用過程中鋪展型好，熔化均勻，無渣條，因外表裂紋引起的質量缺陷顯著減少，鑄坯的一次合格率明顯提高，在高拉速條件下也能

22、夠保證良好的使用效果。4 結論本研究結合中碳鋼的凝固特點，系統(tǒng)研究了保護渣成分對其性能的影響規(guī)律，并在此根底上開發(fā)了高拉速連珠保護渣。研究結果說明：（1） 保護渣的化學成分如堿度、Na2O、F-、MgO、Li2O、MnO、B2O3、TiO2等對其熔化、玻璃化及結晶特性具有重要影響。在保護渣中適量配入B2O3、Li2O、MnO等特殊組分，不僅降低保護渣的析晶溫度和轉折溫度，而且促使固態(tài)結晶渣膜晶粒細小，因此可以防止保護渣熔渣在冷凝過程中析出高熔點固相，使結晶器內靠近鑄坯外表的渣膜為液態(tài)，確保鑄坯外表的潤滑效果，同時又可使靠近結晶器壁的渣膜形成結晶狀態(tài)以到達減緩和均勻傳熱的效果。（2） 為充分協(xié)調保護渣的潤滑效果和控制傳熱功能，其主要成份應控制為：CaO/SiO2=1.151.30，B2O3=02.5%，MnO=04%，MgO=25%，Na2O=812%，F(xiàn)=58%，并保證轉折溫度Tb1