（冶金工程专业论文）攀钢板坯高速连铸普碳钢保护渣的研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 摘要 为了解决攀钢高拉速连铸机普碳钢保护渣使用性能较差和漏钢报警频繁发生 的问题，在对国内外高速连铸保护渣的研究和应用状况进行调研的基础上，研究 了高速连铸保护渣的组成与熔化特性、粘度特性、结晶特性及矿相特性的关系， 并且优化了高速连铸保护渣生产工艺。研究结果如下： ( 1 ) 当r - c a o s i 0 2 i 0 时， 熔化温度逐渐升高；随着r 的增加，粘度逐渐降低，转折温度和析晶率则升高。 ( 2 ) 随着渣中c a f 2 含量的增加，保护渣的熔化温度、秸度，转折温度和析晶 率逐渐降低，但当其含量大于9 1 0 时，熔化温度和粘度受其影响减小。 ( 3 ) 增加渣中n a 2 0 和m n o 的含量，熔化温度、粘度和转折温度均逐渐降低， 而析晶率逐渐升高。但当n a 2 0 1 0 和m n o 4 时，熔点和粘度受其影q q 减小。 ( 4 ) 随着l i 2 0 含量的增加，保护渣的熔化温度、粘度和转折温度逐渐降低， 而析晶率逐渐升高。当l i 2 0 2 5 时，随着l h o 含量的增加，熔化温度明显降低： 但当其含量大于2 5 后作用趋缓；当l i 2 0 10 a n dm n o 4 ，t h ee f f e c to nm e l t i n gp o i ma n dv i s c o s i t yw a s d e c r e a s e d ( 4 ) w i t ht h ei n c r e a s eo fl i 0 2c o n t e n t ，m e l t i n gt e m p e r a t u r e ，v i s c o s i t y , b r e a k t e m p e r a t u r eo fm o l df l u xw e r ed e c r e a s e d c r y s t a l l i z a t i o nr a t i ow a si n c r e a s e d w h e nl i 2 0 2 5 ：w h e n i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t l i 2 0 3 5 t h ee f f e c to nv i s c o s i t yb e c a m es m a l l ( 5 ) t h eh i g h - s p e e dp l a i nc a r b o ns t e e lm o l df l u xs t u d i e di nt h i sp a p e rh a d e x c e l l e ms p r e a d a b i l i t ya n dl i q u i d i t yi nc r y s t a l l i z e r s l a g g i n gl e v e lw a ss m o o t h ， l i q u i dl e v e li nc r y s t a l l i z e rw a ss t a b l e m o l df l u xw a sv e r ya c t i v e ，n of l u xr i mw a s a p p e a r e d ( 6 ) p l a i nc a r b o n s t e e lm o l df l u xw a ss t a b l ew h e nt h ep u l l i n gr a t ea t 1 4 1 4 5 m m i n m o l t e ns l a gl a y e ro fm o l df l u xw a sb e t w e e n | 0 m ma n d15 m m t h ea m o u n tu s e dw a s 0 5 5 k g tw h i c hw a sb e t t e rt h a no t h e rc o m p a n y s t h es u r f a c e o fc a s t i n gb l a n kw a sv e r yw e l l ，n od e f e c t ss u c ha sc i n d e ri n c l u s i o na n da i rb u b b l e w e r ea p p e a r e d t h eo s c i l l a t i n gm a r ko fc a s t i n gb l a n kw a sa l s oh o m o g e n e o u s ，n o c l e a r i n gu pr a t i oi nt h ef u r n a c ew a sa t1 0 0 ， k e yw o r d ：f l a tb l a n k ，c o n t i n u o u sc a s t i n g ，m o l df l u x ，c r a c k ，m o l t e ns t e e ll e a k a g e b yb i n d i n g i v 独创性声明 本人声明所提交的学位论文是在导师指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包括其他入已经 发表或撰写的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明，并表示谢意。 本人签名：饧力召 日期：少一7 ，罗- 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使 用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：石7 匕受 签字日期：o l d , ( 、7 ，p 导师签名：奇未睁 签字日期：扣彳，夕 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来，随着连铸技术的进一步发展，以高拉速、高铸机作业率、高 铸坯质量为特征的高效连铸技术，可显著降低钢铁产品的生产成本，因而 越来越受到个钢铁企业的重视，高效连铸的核心是连铸机实现高拉速，其 目的是提高连铸机和整个配套流程的生产效率及铸坯质量。实现高速连铸 的三项关键技术是结晶器结构设计的完善、结晶器振动形式及参数的优 化、保护渣物化性能的改进。保护渣的物理性能和化学成分对于铸坯的表 面质量和最终产品的质量都非常重要。因此，高速连铸保护渣的研究受到 越来越多的重视。近几年可以说掀起了高速连铸保护渣的研究热潮，国内 外投入大量的人力、物力、财力进行研究实验，取得了一定的成绩。先后 对高速连铸保护渣的粘度特性、熔化特性、化学成分，结晶性能以及绝热 保温性能等进行了大量的研究。 常规板坯连铸在生产中厚板和高质量冷轧薄板中具有不可替代的地 位，常规板坯的高拉速或高效化生产是提高产量的一个重要途径，所以发 展常规板坯高拉速对炼钢连铸行业有十分重要的意义。攀钢于2 0 0 3 年7 月从国外引进的板坯连铸机设计工作拉速为1 4 2 o r e r a i n ，在国内目前是 拉速最高的板坯连铸机。由于受地理条件限制，攀钢无法新建更多的连铸 机，只能通过提高铸机拉速来保证实现6 0 0 万吨钢的生产能力因此，该 连铸机的顺利达产和尽快实现稳定的高速浇注则显得非常重要。开展针对 该铸机的高拉速连铸保护渣的研究对攀钢具有十分重要的现实意义。 攀钢高速板坯连铸机投产初期全部采用进口保护渣，其中从德国和意 大利进口的低碳钢保护渣使用情况较好，但普碳钢和低合金钢保护渣使用 情况较差，漏钢报警频繁发生。这种状况严重地制约了该连铸机的顺利达 产，并且无法满足攀钢品种开发的需要。攀钢也曾经对该连铸机保护渣的 国产化作过一些尝试，将在l # 板坯连铸机上使用较好的保护渣用在该连铸 机上，使用效果尚可，但拉速仅仅维持在1 2 一1 4 m r a i n ( 低碳钢，普碳钢则 更低1 无法在较高拉速下使用，其中一个最主要的原因就是保护渣消耗量 l 东北大学硕士学位论支第一章绪论 在高拉速段太低，无法保证在高拉速条件下铸坯的润滑，容易引发粘结性 漏钢事故，铸坯表面质量降低。 在生产普碳钢等大多数碳含量在o 0 8 0 15 之间的亚包晶钢时，钢水 凝固要发生包晶反应，初生凝固坯壳生长极不均匀，铸坯容易出现纵裂和 横裂；在高拉速条件下，由于结晶器传热加强，使该类钢种产生裂纹的倾 向加大i l 。j 。国外一般采用高碱度保护渣浇注该类钢种，但会使保护渣的 润滑性能大大降低，容易诱发漏钢事故。该铸机进口的普碳钢保护渣在这 方面没有很好的解决上述问题，而国内目前也无亚包晶钢高拉速保护渣的 成功先例。 1 2 文献综述 1 2 1 高速连铸对保护渣的要求 由于高速具有与常规连铸不同的特点，如果保护渣选择不当，就会造 成高速连铸时漏钢和铸坯表面质量差。因此，发展高效连铸必须重视高速 连铸保护渣的开发。高速连铸保护渣与常规连铸保护渣在化学成分和物理 性能上差别较大，具体的说，高速连铸保护渣有以下几个要求【3 弓】： ( 1 ) 由于拉速提高，势必引起保护渣消耗量下降( 见图1 1 ) 。研究指出： 保护渣消耗量过大或过小均会引起铸坯缺陷的产生。随着拉速提高，保护 渣耗量减少。韩国广阳钢厂的经验是：当低碳铝镇静钢的拉速为 1 0 - 1 6 m m i n 时保护渣的最佳消耗量为o 3 0 。5 k g m 2 , 最佳液渣层厚度为 1 0 1 5 m m 。m i l l s ，k c 则认为当拉速提高时，液渣厚度应大于2 0 m m ，有 的研究认为：常规拉速下保护渣的消耗量应在0 3 k g m 2 以上，高速连铸时 应在o 2 k g m 2 以上。因此，要求保护渣在高拉速或拉速变化较大的情况下 仍能维持足够的消耗量，否则会造成粘结漏钢或引起铸坯纵裂等表面缺 陷。由图可以看出，降低保护渣的粘度可以提高消耗量，高拉速连铸普遍 采用低粘度的保护渣以获得合适的消耗量。 ( 2 ) 结晶器壁与坯壳间的渣膜厚度适宜且分布均匀，以降低结晶器摩 擦力并使其传热均匀，并防止裂纹的产生。高速连铸保护渣应具有较低的 软化、凝固和结晶温度，以保证结晶器的润滑和传热。润滑和传热一直是 保护渣研究工作者需要解决的难题。 ( 3 ) 保护渣应具有适宜的液渣层厚度。防止高拉速时液渣供应不足， 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 从而导致固态渣流入结晶器壁与坯壳阃的缝隙。要求高速连铸保护渣有较 快的熔化速度，以维持保证保护渣的消耗量，然两熔化速度的提高是依靠 降低保护渣中的碳含量来实现的，这样势必引起保护渣的保温性能降低， 在后面将进行详细论述。 o 811 2l 4 1 6 拉速m l t n 图t 1 拉速和轱度对保护渣消耗量的影响 f i g i ie f f e c t so fp u l l i n gr a t ea n dv i s c o s i t yo nc o n s u m p t i o no fm o l df l u x - 一q 1 3 0 0 = 0 1 5 p a + s 1 1 13 0 0 = 0 3 2 p a s ( 4 ) 高的物性稳定能力，要求保护渣必须具有良好的溶解、吸收夹杂 物的能力，并且在吸收夹杂物后其物理性能保持相对稳定。 ( 5 ) 适宜的析晶能力，以满足某些钢种控制热流的要求( 如中碳钢等) 。 1 2 2 高速连铸保护渣的物理性能和化学成分特性 1 2 2 1 粘度特性 6 - 1 1 i 高速连铸保护渣应具有低粘度，有人通过对保护渣的秸度与铸机的研 究，对于板坯连铸而言，得出如下经验公式： t 1 v c = o 2 - 0 2 5 或q v 2 c = o 5 ( 1 1 ) 式中：n 为保护渣在1 3 0 0 。c 时的粘度，p a s ； v 。为铸机拉速，m m i n 。 也有人分析了振痕深度对坯壳粘结的影响，得出了保护渣粘度和振动 参数及拉速的关系式： t 1 v “c = k n 0 0 1 7 2( 1 2 ) 式中：6 0 为钢种的铸态高温强度； 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 k 。为与振动参数及其与拉速匹配关系有关的常数； n 为1 2 之问的常数。 对于高速连铸保护渣而言，由于拉速提高，保护渣的消耗量大幅下降， 为了维持其消耗量，降低粘度是一个行之有效的方法。常规连铸保护渣通 常采用c a f 2 、n a 2 0 等助熔剂来降低保护渣的粘度和熔化温度( 如图1 2 ) ， 实践证明此方法是有效的。为了满足高速连铸保护渣低粘度的要求势必加 入更多的c a f 2 和n a 2 0 。而渣中的c a f 2 含量过高，会引起枪晶石 ( 3 c a o + 2 s 1 0 2 c a f 2 ) 和钙黄长石( 2 c a f 2 a 1 2 0 3 s i 0 2 ) 等高熔点物质析出，从而 破坏保护渣的玻璃性，使润滑条件恶化。c a f 2 过高还会对浸入式水口造成 严重侵蚀，影响连铸工艺顺行，而且保护渣在熔化过程中释放出的氟对环 境会造成极大的污染，溶于冷却水中的氟对连铸设备产生严重的腐蚀。并 有实验证明：当保护渣中的f 含量大于1 0 时，对粘度的降低作用已不明 显。n a 2 0 为网络外氧化物，能破坏硅酸盐网络结构，在保护渣中起降低 熔化温度和粘度的作用。但缺点是具有促进熔渣结晶化倾向，若加入量过 高，熔渣中易析出霞石( n a 2 0 a 1 2 0 3 2 s i 0 2 ) ，对结晶器的润滑和传热均有不 利影响，应限制其加入量( 最好低于l o ) 。保护渣中c a o 可明显降低渣的 粘度，有利于氧化物的吸收，高碱度保护渣可提高溶解、吸收夹杂物的速 度。但碱性渣的粘度随温度变化较大：当冷却至液相线温度时，由于结晶 能力强，不断有晶体析出，严重破坏渣的玻璃性。因此，选择合适的助熔 剂则成为了一个研究课题，目前普遍使用的能明显降低保护渣粘度助熔剂 主要有l i 2 0 、b a o 、m n o 、b 2 0 3 、m g o 等。这些化学成分对粘度及其他物 理性能的影响如图i 2 1 4 。 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 2n a 2 c 0 3 和c a f 2 含量对粘度的影响 f i g ri 2e f f e c to fn a 2 c 0 3a n dc a f 2c o n t e n to nv i s c o s i t y b a o 的存在，可以促使低熔化温度的硅酸盐玻璃相增加，阻碍液相结 晶，从而使熔渣具有高玻璃化的可能性。 ， 是 图1 3 l i 2 0 含量对保护渣粘度的影响 f i g i 3e f f e c to fl i 2 0c o n t e n to i lv i s c o s i t y 渣中添加少量的m n o ，能迅速降低熔渣的结晶温度和粘度，并对凝固 温度有轻微的降低作用。 1 r l e e 等发现表面活性物质b 2 0 3 在低于5 的范围内可有效地降低熔 渣的粘度和凝固温度，并对保护渣的熔点有明显的降低作用。不仅如此， b 2 0 3 能有效地促进熔渣玻璃态化，减轻熔渣的分熔倾向。 a | 2 0 3 的含量对保护渣的高温粘度尤其是1 3 0 0 ( 2 的粘度会产生较大影 s 东北大学硕士学位论文第一章绪论 响，给使铝脱氧镇静钢连铸保护渣的设计带来一定的困难，加入l i 2 0 可 以消除吸附a 1 2 0 3 带来的粘度大幅升高，使得粘度一温度曲线更加平稳， 拐点温度更低。 图1 4a 1 2 0 3 含量对保护渣13 0 0 c 粘度的影响 f i g 1 4e f f e c to f a | 2 0 3c o n t e n to nv i s c o s i t ya t 13 0 0 ( 2 综上所述，高速连铸保护渣应具有较低的粘度，加入l i 2 0 、b a o 、m n o 、 b 2 0 3 等能有效较低保护渣的桔度，给高速连铸保护渣的设计提供了有效的 途径。l i 2 0 的加入能对保护渣的粘度起到稳定的作用，在高速连铸保护渣 中加入l i 2 0 已较普遍，但在保护渣中还是应该尽量降低a 1 2 0 3 含量。因此， 高速连铸保护渣一般都具有较低的a 1 2 0 3 含量。 1 2 2 2 熔化、凝固及结晶特性1 1 2 。1 6 】 熔化温度、凝固温度、结晶温度和熔化速度是影响结晶器弯月面上方 渣层传热的重要参数，在高拉速连铸生产过程中，为保证结晶器和铸坯之 间的充分润滑，要求弯月面上方有一定厚度的熔渣层故保护渣的熔化温度 应适当降低，熔化速度适当增大。 保护渣的熔化温度、凝固温度和结晶温度与碱度( c a o s i 0 2 ) 、助熔剂 含量n a 2 0 、k 2 0 、c a f 2 、l i 2 0 等有关。研究结果表明： ( 1 ) 在一定条件下，c a o s i 0 2 为o 9 时，连铸保护渣的熔化温度达到 最小，随着c a o s i 0 2 最大，凝固温度逐渐降低，结晶温度逐渐升高，同时， 增大c a o s i 0 2 还可以促进连铸保护渣析出结晶相，提高结晶温度。 ( 2 ) 随着n a 2 c 0 3 含量的增加( 如图1 5 所示) ，连铸保护渣熔化温度和 凝固温度逐渐降低，结晶温度逐渐升高，由于n a 2 0 为网络结构限制体， 6 东北失学硕士学住论文第一章绪论 n a + 和o 。均可以破坏硅酸盐网链结构，从而减小粘度，降低凝固温度；但 是n a 2 0 可以促迸连铸保护渣析出结晶相，提高结晶温度，当n a 2 0 加入量 增加时，连铸保护渣易析出霞石( n a 2 0 - a 1 2 0 3 2 s i 0 2 ) 。 ( 3 ) 随着c a f 2 含量的增加( 图1 6 ) ，连铸保护渣的熔化温度和凝固温度 降低，结晶温度逐渐升高；由于c a f 2 为网络结构限制体，f 半径与0 2 。接 近，f 极易取代o 。，而f 。可以使硅氧四面体断开，故c a f 2 可以减小粘度， 降低凝固温度，同时c a f 2 可以促进连铸保护渣析出结晶相，提高接近温度， 当c a f 2 加入量增加时，连铸保护渣容易析出枪晶石( 3 c a o 2 s 1 0 2 c a f 2 ) 和钙 黄长石( 2 c a f 2 a 1 2 0 3 - s i 0 2 ) 等。 p 、 趟 霸 图1 5 n a 2 c 0 3 含量对熔化温度、凝固温度和结晶温度的影响 f i g 1 ，5e f f e c t so fn a 2 c 0 3c o n t e n to nm e l t i n g ，f r e e z i n ga n dc r y s t a l l i z i n gt e m p e r a t u r e c a o s i 0 2 = o 9 ：o a f 2 = 1 5 ：a 1 2 0 3 = 5 ：m g o = 5 i 熔化温度2 凝周温度3 结晶温度 ( 4 ) 随着a 1 2 0 3 含量的增加( 图1 7 ) ，连铸保护渣的熔化温度和凝固温 度增加升高，结晶温度逐渐降低，a 1 2 0 3 为网链结构修正体，对于c a o s i 0 2 为0 6 0 1 2 0 的连铸保护渣，a 1 2 0 3 的作用与s i 0 2 类似，a 1 3 + 可以取代s i 4 十。 形成类似于硅氧四面体的铝氧四面体，大量的铝氧四面体进入网链结构 中，导致硅酸盐网链结构紧密粘度增大，凝固温度升高，同时，a 1 2 0 3 可 以抑制连铸保护渣析出结晶相，降低结晶温度。 7 查苎垄兰塑主兰堡笙墨 一一箜二主塑 p 趟 赠 圈1 ，6c a f 2 含量对熔化温度、凝固温度和结晶温度的影响 f i g 1 6e f f e c t so fc a f 2c o n t e n t o nm e l t i n g ，f r e e z i n ga n dc r y s t a l l i z i n gt e m p e r a t u r e c a o s i 0 2 = 0 ，9 ；n a 2 c 0 3 = 1 5 ；a 1 2 0 3 5 ；m 9 0 2 5 1 熔化温度2 凝固温度3 结晶温度 p 、 魁 赠 a 1 2 0 。， 图1 7a 1 2 0 j 含量对熔化温度、凝固温度和结晶温度的影响 f i g 1 7e f f e c t so ra 1 2 0 3c o n t e n t o nm e l t i n g ，f r e e z i n ga n dc r y s t a l l i z i n gt e m p e r 8 t u r e c a o s i 0 2 = o ，9 ；n a 2 c 0 3 = 1 5 ；c a f 2 = 1 5 ；m 9 0 5 5 1 熔化温度2 凝固温度3 结晶温度 ( 5 ) 随着m g o 含量的增加( 如图1 8 所示) ，熔化温度、凝固温度和结 晶温度均逐步降低。m g o 为网链结构限制体，0 2 。以硅酸盐网链结构，从 而减小粘度，降低凝固温度。但是m g o 可以抑制连铸保护渣析出结晶相， 降低结晶温度。j a 等也认为m g o 能降低熔渣的粘度和保护渣的熔点a 8 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 p 、 倒 癌 图1 8 m g o 含量对熔化温度、凝固温度和结晶温度的影响 f i g 1 ，8e f f e c to fm g oc o n t e n to nm e l t i n g 、s o l i d i f i c a t i o na n dc r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r e c a o s i o ：= o 9 ：n a 2 c 0 3 = 1 5 ；c a f 2 = 1 5 ；a 1 2 0 ，= 5 1 熔化温度2 凝固温度3 结晶温度 熔化温度、凝固温度和结晶温度是描述连铸保护渣熔化、凝固和结晶 行为的特征温度。熔化温度表征了连铸保护渣在结晶器弯月面上方的熔化 行为，熔化温度以升温过程中连铸保护渣的半球点温度来表示。凝固温度 和结晶温度表征了连铸保护渣在结晶器弯月面下方的凝固和结晶行为，凝 固温度由测定粘度来获取，在该温度条件下，熔渣变为非牛顿流体，其粘 度特性不遵循a r r h c n i u s 方程，但不一定析出结晶相。而结晶温度有差热 分析仪来测定，在该温度条件下，连铸保护渣开始析出结晶相。三者均与 连铸保护渣的化学成分有关，但变化趋势并不相同。熔化温度高于凝固温 度和结晶温度，对于玻璃性较好的连铸保护渣，凝固温度高于结晶温度， 即结晶相有固相连铸保护渣中析出。甚至在一定条件下，连铸保护渣可能 不析出结晶相而完全形成玻璃性。在降温过程中。熔渣粘度增大的主要原 因是硅酸盐复合离子聚合长大，导致熔渣流动性能变差。对于玻璃性能较 差的连铸保护渣，结晶温度高于凝固温度，即结晶相由熔渣中直接析出。 在降温过程中，熔渣粘度增大的主要原因是结晶相析出，导致熔渣能动性 变差。 1 2 2 3 熔化速度和绝热保温性能【m 2 0 j 为满足高速连铸对保护渣消耗量的要求，高速连铸保护渣必须具有较 快的熔化速度，在保护渣中熔化速度是依靠碳含量来控制的，碳含量越低， 9 东北大学硕士学位论文第一章绪论 熔化速度越快。因此，高熔化速度必然带来碳含量的降低，然而，碳含量 降低会使保护渣的绝热保温性能降低。如何解决高熔化速度和高保温性能 仍是一个值得研究的课题。 ( 1 ) 影响熔化速度的因素 熔化速度是连铸保护渣熔化特性中最主要指标之一，它对铸坯质量有 很大影响，如果保护渣熔化速度过快，结晶器内液面不易保持未熔的保护 渣层，熔渣裸露在大气中，使保护渣失去保温效果，这不仅使钢液易产生 冷皮，还因熔渣层过厚二使结晶器与铸坯之间渣膜厚度不均匀，导致铸坯 纵裂的产生。从目前国内的情况来看，高速连铸保护渣普遍采用的是复合 配碳的方式，采用复合配碳可以得到不同碳质材料的优点而达到理想的效 果。 国1 9 影响保护渣熔化速度的因素 f i g i 9f a c t o r so nm e l t i n gs p e e do fm o l df l u x 研究表明，由于保护渣中一般都需要加入一些碳酸盐( 如：n a 2 c 0 3 、 l i 2 c 0 3 、m g c 0 3 、b a c 0 3 、c a c 0 3 等) ，在浇铸过程中，保护渣覆盖于高温 钢液表面，这些碳酸盐将发生如下的分解反应： m 。c 0 3 + c _ m x o + 2 c o ( g )( 1 3 ) m x c 0 3 - - , m x o + 2 c 0 2 ( g )( 1 4 ) ( m = l i ，n a ，k ，m g ，c a ，b a 等) 】0 ，。i 蓍 东北失学硕士擘住论文 第一章绪论 各分解反应的温度见表1 1 。 表1 1 碳酸盐分鳃反应温度k t a b l ei it h ed e c o m p o s i t i o nt e m p e r a t u r eo fc a r b o n a t e k 保护渣加入结晶器后，被其下面的液渣和高温钢液加热，形成上下温 差较大的温度场，当体系中碳酸盐颗粒温度达到分解反应温度时，便发生 方程( 1 3 ) 、( 1 4 ) 的反应。释放出c o 和c 0 2 气体，对于整个厚度的渣层而 言，由于所处位置的温度不同分解反应丽异步进行，越靠近钢液面，分解 反应开始越早，反应越剧烈，释放出的气体向上逸出，搅动整个上层表面， 呈沸腾状态，形成近似流液化床的颗粒接触形式，迸而促进下呈高温区向 上呈低温区的传热，加速了颗粒之间的碰撞和接触，正是由于这种强化了 的传质传热过程，促进了保护渣的熔化。由于不同碳酸盐分解反应发生的 湿度、生成气体的数量和反应速度不同，因而不同碳酸盐对于提高熔化速 度的功效也不一样，其顺序为：l i 2 c 0 3 k 2 c 0 3 c a c 0 3 n a 2 c 0 3 ，碳酸盐对 保护渣熔化速度的影响见图1 1 0 。根据试验结果，k a w a m o t o 等人建立了 一个保护渣熔化速度的经验公式： r 。= 1 6 8zk ( 碳酸盐百分比) - 0 0 0 3 6 c ，+ o 0 4 7 7 ( i 4 ) 式中：r 。为熔化速度，m m s ； k 为在1 6 2 3 k 下碳酸盐分解反应的速度； c ，为单位体积内的碳含量， 即c ，= c 的重量百分比保护渣的体积密度。 东北大学硕士学位论支第一章绪论 哗 2 譬 芝 吕 、 瑙 捌 g 竣 碳酸盐 图1 1 0 碳酸盐对保护渣熔化速度的影响 f i g 1 1 0e f f e c to nm e l t i n gs p e e do f f l u x e sw i t hc a r b o n a t e ( 2 ) 绝热保温性能 保护渣必须具有良好的绝热保温性能，这样可以抑制其在结晶器内形 成搭桥和浮体，同时可以提高弯月面温度，维持渣流通道，减轻振痕，减 少表面及皮下缺陷。绝热保温性能的主要影响因素是连铸保护渣的形状、 类型和密度，以及渣中碳质材料的类型和含量有关。保护渣的颗粒形状对 其绝热保温性能影响较大，不同形状保护渣的特性见表1 2 。表中列出的 两种颗粒保护渣均为实心颗粒，事实上，近年来发展起来的空心颗粒型保 护渣，具有与粉渣相当的绝热保温性和对结晶器的适应性，具有与球形颗 粒渣相当的流动性、化学成分控制的均匀性和对环境的清洁性等优点。所 以空心颗粒连铸保护渣近年来被国内外连铸和保护渣生产企业普遍采用。 1 2 东北大擘硕士学位论文 第一章绪论 表i 2 不周形状保护渣的特性 t a b l e1 2c h a r a c t e r i s t i co fd i f f e r e n ts h a p em o l df l u x 好0较好差 此外，保护渣的绝热保温与碳质材料的类型和含量有关，当配碳量较 小时，含活性碳的连铸保护渣绝热保温性能较好，依次为碳黑和石墨：当 配碳量较多时，含石墨的连铸保护渣绝热保温性能较好，依次为碳黑和活 性碳。为适应高速连铸对保护渣熔融特性的要求，高速连铸用保护渣普遍 采用复合配碳。 1 2 2 4 保护渣吸收夹杂的能力1 2 1 ，2 2 1 由于拉速提高，保护渣吸收上浮的夹杂物将增多，因此，要求高速连 铸保护渣比常规连铸保护渣具有更好的溶解、吸收夹杂物的能力，并且在 a 1 2 0 3 含量在较宽的范围内粘度、熔点和熔化速度等其物理性能能保持相 对稳定。连铸保护渣吸收a 1 2 0 3 的速率随着渣中的n a 2 c 0 3 、c a f 2 和m g o 质量分数的增加而增大。文献认为粘度是a 1 2 0 3 吸收速率的主要控制因素， 随着粘度的增加，连铸保护渣的吸收速率逐渐减小，保护渣的化学成分通 过改变熔渣粘度来影响a 1 2 0 3 吸收速率。 1 2 2 5 保护渣的消耗量【1 2 1 影响保护渣消耗量的因素很多，如保护渣的性能、振动参数、拉速等。 ( 1 ) 凝固温度的影响。保护渣的凝固温度越低，形成的液态渣膜越厚， 使消耗量增加，因而高速连铸需要较低的凝固温度： ( 2 ) 粘度的影响。粘度降低，消耗量增加，高拉速时需要低粘度； ( 3 ) 熔化温度和软化温度升高，消耗量减少； ( 4 ) 拉速的影响。拉速升高，保护渣消耗量减小； ( 5 ) 1 1 v c 的影响。t 1 v 。高时，保护渣的消耗量减少。 q v 。= o 1 - 0 ，3 5 p a s m m i n 时，液渣渗入变动最小；t 1 v 2 。= o 5 p a s m 2 r a i n 2 时， 1 3 东北走学硕士学位论文第一章绪论 热流和摩擦力都最小，即液渣渗入最稳定： ( 6 ) 振动特性( 包括负滑脱时间t 。，正滑脱时间t ，振程s ，振频f ，非 j 下弦振动) 的影响。在拉速相同的情况下，振频f 低和振程s 长，负滑脱时 间t 。高时，保护渣消耗量增加，非正弦振动的消耗量高于正弦振动； ( 7 ) 钢水过热度t 的影响。t 高时，消耗量增加。 1 2 3 连铸坯质量与连铸保护渣的关系【2 m 9 1 1 ，2 3 1 保护渣与表面纵裂 连铸拉速提高使弯月面处传往结晶器的热流增加，二弯月面处热流增 加时，板坯宽面容易产生纵裂。文献表明：表面纵裂发生在平行于拉坯方 向上。其位置主要在宽面中心附近和靠近角部处。纵裂主要沿柱状晶一次 晶间及奥氏体的晶界扩张。从根本上讲，表面纵裂是由于坯壳在结晶器内 冷却不均导致应力集中而发生的。从连铸工艺参数来看，宽面纵裂是由于 结晶器冷却条件不适宜及保护渣流入不均等因素所致。另外，当浇铸碳含 量在0 0 8 0 1 6 的钢种时，特别容易产生纵裂，这主要是6 铁素体和奥氏 体相的热收缩不同所造成的坯壳热应力所致。对于给定钢种，为了消除纵 裂，正确选择保护渣、改善结晶器传热和润滑至关重要。实验证明，使用 c a o s i 0 2 高和含z r 0 2 的保护渣，可以使保护渣的结晶温度升高，减少热 流。或通过减少结晶器的冷却水量和采用高凝固温度的保护渣来缓冷结晶 器，减少铸坯纵裂，可改善连铸坯表面质量。 1 2 3 2 保护渣与表面横裂 横裂以振痕波谷为起点，在矫直点之前形成微细裂纹，矫直时由于拉 伸应力的作用进一步扩展。横裂的扩展是按奥氏体晶界进行的，按其产生 的位置可分为面部横裂和角部横裂。保护渣对表面横裂的影响体现在保护 渣物性对振痕深度的影响，因为振痕是表面横裂的根源。凡是式振痕增大 的因素都会使横向裂纹加剧。研究表明：t 1 1 3 0 0 c v 。越大，振痕越浅，因此 增大保护渣的粘度或提高拉速都会起到减轻铸坯横向裂纹的作用。对于高 速连铸，由于拉速提高，使负滑脱时间减少，会使振痕深度和板坯横裂减 小，但拉速提高本身对振痕深度减小的影响远大于负滑脱时间通过拉速提 高的减小对振痕深度减小的影响。但拉速提高后，保护渣消耗量将减小， 容易造成粘结漏钢。因此，为了兼顾减小粘结漏钢和横裂，应采用降低保 护渣的粘度和提高熔化速度来提高保护渣的消耗量。 1 4 东北大学硕士擘位论交 第一章绪论 1 2 4 连铸保护渣生产工艺技术1 2 】 保护渣生产的基本工艺流程见图1 1 1 。 l 原料准备卜一人工合成原料制备 圈 圃 区乎圈 囱 成品渣后处理 图1 1 i 保护渣生产基本工艺流程 f i g 1 i1p r o c e s so fm o l dp o w d e rp r o d u c t i o n 为了适应高拉速、高铸坯质量的要求，高速连铸保护渣均采用预熔型 连铸保护渣。这种渣是将所需各种原料破碎后按定比例混合，然后熔化、 水碎形成一种非晶质玻璃体，再经过磨粉、配料造粒，生产颗粒型保护渣。 此种渣的成分均匀，在结晶器内熔化均匀，能很好的适应高拉速的需要。 采用预熔基科生产颗粒渣的缺点是，由于原料中缺少增加粘结强度的 组元( 如苏打等) ，水和反应弱，起粘结作用的胶体量少，渣的成粒能力较 机混型渣差，因此，应注意粘结剂的选择。 1 3 研究目的及意义 高速连铸用保护渣具有低a 1 2 0 3 和高金属氧化物的特点。同时限制 n a 2 0 和c a f 2 的用量，改善渣的玻璃特性。一定量的b a o 、b 2 0 3 、l i 2 0 、 k 2 0 、m g o 等助熔剂加入渣中有效地降低粘度，抑制结晶化倾向。对于中 1 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 碳钢用渣，加入促进渣析出晶体的z r 0 2 促进保护渣析出晶体，控制传热。 目前国内在保护渣化学成分与物理性能的关系方面有较多研究，对于保护 渣的保温性能、熔化特性、结晶特性等方面有较深的研究。但上述研究均 是在一定的渣系中进行的，加之这些研究多为单因素影响研究，未考虑各 成分间的交互作用，因此，其研究成果难以推广到其它渣系。此外，在研 究中所采用的成分载体多为高纯度的单质氧化物，未考虑原料矿相结构和 杂质的影响，在生产中会产生一定的偏差。因此，本研究在对国内外高速 连铸保护渣的研究和应用情况进行调研的基础上，选取了二元碱度 ( c a o s i 0 2 ) 以及c a f 2 、n a 2 0 、m n o 和l i 2 0 等组分，采取了五因素五水平 对其进行二次回归组合设计，研究了高速连铸保护渣的组成与熔化特性、 粘度特性、结晶特性及矿相特性的关系，以此来优化高速连铸保护渣生产 工艺。 1 4 研究内容 ( 1 ) 选取二元碱度( c a o s i 0 2 ) 以及c a f 2 、n a 2 0 、m n o 和l i 2 0 等组分， 并采取了五因素五水平对其进行二次回归组合设计。 ( 2 ) 研究高速连铸保护渣的碱度以及c a f 2 、n a 2 0 、m n o 和l i 2 0 等的 含量与其熔化特性、粘度特性、结晶特性及矿相特性的关系。 1 6 东北大学硕士学位论第二章高速连铸保护渣的化学成分与物理性能 第二章高速连铸保护渣的化学成分 与物理性能 2 1 研究方案设计 2 1 1 主要成分与物理性能的关系 通过选取r ( c a o s i 0 2 ) 、c a f 2 ，n a 2 0 、m n o 和l i 2 0 作为实验因素， 采用五因素五水平进行二次回归组合设计。二次回归组合设计包括的变量 有：r ( 0 8 - 1 1 1 ，c a f 2 ( 4 1 6 ) ，n a 2 0 ( 4 1 4 ) ，m n o ( 0 6 ) ，l i 2 0 ( 0 - 5 ) ， m g o = 4 o ，a 1 2 0 3 = 4 5 ，f e 2 0 3 ；1 5 。 实验原料有c a o 、c a f 2 、a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 、m g o 、m n o ( m n c 0 3 ) 等化学 试剂以及l i 2 0 、n a 2 0 ( 化工原料l i 2 c 0 3 、n a z c o s ) 和s i 0 2 ( 石英砂) 。 通过实验，得到秸度( 1 3 0 0 ) 与组成，熔化温度与组成以及转折温度 与组成的关系模型。各因素的变化范围和因素水平编码分别见表2 1 和表 2 2 。 表2 1 各因素变化范围 t a b l e2 1s c o p eo ff a c t o rv a r i a n c e 1 7 东北大学硕士学位论 第二章高速连铸保护渣的化学成分与物理性能 表2 2 因素水平编码 t a b l e2 2c o d eo ff a c t o ri e v e i 因素 x j z j ( r ) z 2 ( c a f 2 )z 3 ( n a