（钢铁冶金专业论文）20钢大方坯连铸保护渣的开发与研究.pdf

辽宁科技大学硕士论文摘要 摘要 连铸保护渣对结晶器中铸坯的成型及表面质量有重要影响。随着连铸 技术的进步以及连铸钢种的扩大，保护渣性能与连铸工艺顺行及铸坯质量 的关系日益密切。如何充分发挥保护渣的功能，保证在不同钢种的连铸生 产时能得到合格的铸坯，已经成为连铸保护渣设计时关注的焦点。 本文针对某厂2 0 钢大方坯连铸过程中，铸坯表面容易产生纵裂纹， 严重时导致粘结漏钢的问题，对原用保护渣进行改进，以适应现场生产工 艺。在实验室中测定实验渣样的熔点、熔速、粘度及结晶温度，分析保护 渣性能与成分之间的关系，再根据现场工艺参数，在原保护渣基础上加以 改进，重新设定新的保护渣配方。工业试验表明，新配保护渣明显改善了 铸坯表面质量，铸坯合格率也达到了1 0 0 ，使用效果良好，已经批量生 产供应2 0 钢大方坯连铸生产。 关键词：2 0 钢，大方坯连铸，保护渣，渣膜 辽宁科技大学硕士论文 a b s t r a e t a b s t r a c t m o u l df l u x e sh a v ei m p o r t a n te f f e c t st ot h ef o r m a t t i n ga n ds u r f a c eq u a l i t y o fc a s t i n gs l a bi nt h em o u l d w i t ht h ep r o g r e s so nt h et e c h n o l o g yo f c o n t i n u o u s c a s t i n g ，t h er e l a t i o n s b e t w e e nf l u x e sp r o p e r t i e sa n dc a s t i n g s m o o t h l yt h eq u a l i t yo fc a s t i n gs l a ba r ei n c r e a s ec l o s e h o wt op l a yt h e f u n c t i o no ff l u x e sa n de n s u r et h a tc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o d u c t i o nw i l lb e q u a l i f i e ds l a bw h e nc a s td i f f e r e n tk i n d so fs t e e l ，i tg e t st ot h ef o c u so fm o u l d f l u x e sd e s i g n i nt h i s p a p e r ，i nv i e wo ft h ep r o b l e mt h a tl o n g i t u d i n a ls u r f a c ec r a c k a p p e a r a n c ee a s i l ya n de v e ng e tt os t i c k i n gb r e a ki nt h ep r o g r e s so f2 0s t e e l b l o o mc o n t i n u o u s c a s t i n g ，s oi m p r o v i n gt h e u s e df l u xt o a d a p t i v et h e t e c h n o l o g yo fs c e n ep r o d u c t i o n i nl i b r a r y ，m e l t i n gp o i n t 、m e l t i n gr a t e 、 v i s c o s i t ya n dc r y s t a l l i z i n gt e m p e r a t u r eo ff l u x e sa r ed e t e r m i n e da n dc o l l a t e d w i t hc o m p o n e n t s t h e n ，an e wf l u xi se s t a b l i s h e db a s e do nt h ep r i m a r yo n e a n dt h ep r a c t i c a lp a r a m e t e r s i nt h ep r o c e s so fp l a n te x a m i n a t i o n s ，t h en e w f l u xi su s e d ，t h eq u a l i t yi m p r o v i n go ft h es u r f a c eo fc a s t i n gb l a n di sf o u n da n d t h ep e r c e n to fp a s s g e tt o 10 0p e r c e n t s ，t h e nt h ef l u x e sa r ep r o d u c e d a b u n d a n t l yt os u p p o s e2 0s t e e lb l o o mc o n t i n u o u sc a s t i n g k e yw o r d s ：2 0s t e e l ，b l o o mc o n t i n u o u sc a s t i n g ，m o u l df l u x ，f l u xf i l m n 辽宁科技大学硕士论文 第一章文献综述 1 文献综述 1 1 前言 二次世界大战后，战后恢复及经济发展的需求成为钢铁冶金工业发展 的主要驱动力。自5 0 年代开始，连铸技术的出现促进了钢铁冶金工业的 蓬勃发展。6 0 年代中期，以硅酸盐材料为基料的结晶器保护渣成功取代了 菜籽油，促使连铸钢品种、连铸断面种类、连铸坯的质量、连铸生产率得 以大幅度提高。1 9 6 6 年联邦德国报告了连铸结晶器内采用浸入式水口保护 渣浇铸工艺，这项发明是连铸技术上的一项有重要意义的技术进展，并 且具有显著的经济效益。随着时代的发展和连铸生产工艺的进步，连铸保 护渣已经成为连铸工艺过程中必须的关键性材料，对铸坯质量及连铸工艺 顺行发挥着不可替代的作用。 1 9 7 3 年日本的左藤良吉系统地论述了保护渣在结晶器中的行为。如何 根据不同钢种连铸对保护渣的物理性质的要求，合理确定保护渣的化学组 成。明确地提出了控制保护渣的熔速的重要作用。论述了保护渣在结晶器 内钢液面上的熔融模型可以通过配入的炭质材料的粒度和数量来控制1 2 1 。 江见俊彦等人研究了板坯的纵裂和夹渣与保护渣物理化学性质的关 系，提出为了减少板坯表面的纵裂和夹渣，保护渣粘度和熔速之间应保持 一个适当的比值【3 】。 7 0 年代后期，p v r i b o u d 等人论述了保护渣对钢液弯月面的保护作用， 明确提出，高碱度、低粘度及n a 2 0 、c a f 2 含量高的保护渣有利于吸收非 金属夹杂。他们对凝固坯壳的形成和弯月面上熔渣的流入行为，保护渣的 化学成分与其理化性质间的关系进行了研究 4 , 5 1 。1 9 7 6 年，人们借助喷射 干燥工艺开始进行球状颗粒保护渣的开发。在美国和欧洲生产、应用经喷 射干燥的球状颗粒保护渣时，而日本开发和应用的是挤压成圆柱形的颗粒 状保护渣 6 1 。 进入8 0 年代，由于高速连铸、高温连铸铸坯要实现热送或连轧，以 及特殊钢种的连铸技术的发展，对保护渣提出了更高的要求。在用于不需 要修整板坯表面高速连铸的保护渣研究方面，t s a k u r a y a 等人研究了保护 渣的熔融特性，提出了控制保护渣熔化特性的关键在于控制半熔融温度区 间的宽度。为1 2 0 1 8 0 时，板坯表面缺陷最低。控制的大小是通过调节 炭质材料的含量和种类来实现的【7 j j 。 辽宁科技大学硕士论文 第一章文献综述 2 0 世纪9 0 年代以来，研究者发现保护渣的结晶性能对铸坯质量及粘 结漏钢的发生有很大的影响1 9 】。对保护渣结晶性能进行了深入全面的研究， 从而更深入地了解连铸条件下结晶器和铸坯之间渣膜的性状，为润滑及传 热的控制提供了理论基础【1 0 l 。 我国1 9 7 3 年开始进行连铸板坯浸入水口保护渣的浇铸实验。从那时 以来，我国的连铸保护渣从无到有，在保护渣品种系列和产品规范化方面 都取得了很大的成绩，连铸保护渣的使用已经普及，国内所有连铸机都在 使用保护渣。 1 9 8 5 年河南西峡钢铁炉料公司研制出了实心颗粒保护渣以来，大部分 钢铁厂己改用实心颗粒保护渣。经过预熔处理后的保护渣，成分均匀，质 量稳定。8 0 年代后期，重庆大学、重庆特钢以及宝钢、北京科技大学和上 海盛桥炼钢保护渣厂分别研制出预熔型实心颗粒保护渣。宝钢现已将其用 于连铸生产中，板坯的免清理率达9 0 以上。1 9 9 5 年1 0 月，钢铁研究总 院和攀枝花钢铁( 集团) 公司承担了“九五”科技攻关“高效连铸相关技 术研究”的研究工作，并取得了良好的科研成果。河南西峡龙成冶材集团 有限公司采用其研究成果生产了高速连铸空心颗粒保护渣，并取得了良好 的效果。 1 2 连铸保护渣的功能 连铸保护渣是以c a o s i 0 2 - a 1 2 0 3 为基料，n a 2 0 、c a f 2 等为熔剂，碳 质组分作为骨架材料的种硅酸盐材料。保护渣在连铸结晶器内发挥着绝 热保温、防止钢液氧化、控制传热、润滑铸坯的作用，是促进连铸技术发 展、保证连铸工艺顺行及铸坯质量的关键性材料。 1 2 1 连铸保护渣隔绝空气，防止钢液二次氧化的功能 中间包注流进入结晶器，由于注流的冲击作用，使结晶器内金属的表 面不断更新，从而加剧二次氧化的程度。为此，在结晶器内高温钢液面上 加入低熔点的保护渣，它会迅速形成粉渣层、烧结层和液渣层结构，并均 匀地覆盖整个钢液面，将空气与钢液隔开，有效地阻止了空气中的氧进入 钢液。渣中炭粉的氧化及碳酸盐( n a 2 c 0 3 、c a c 0 3 等) 的分解所放出的气 体，有利于降低与钢液接触氧的分压。但是，渣中氧化物( 如f e o ) 的存 在，增加了渣金界面的氧势，提高了液渣层中氧的扩散速率，促进了空气 中的氧经渣层进入钢液中。因此，一般要求保护渣中的f e o 含量小于1 。 辽宁科技大学硕士论文 第一章文献综述 h t h o m a s 提出液渣层厚度为振幅的1 3 1 5 倍时，可防止卷渣1 1 1 。 1 2 2 连铸保护渣绝热保温的功能 保护渣三层结构的形成以及增加粉渣层的厚度，都可以提高渣的绝热 性能，并使液渣层的温度提高。在这方面所达到的效果，与降低保护渣熔 点，以保持足够的液渣层厚度是一致的。同时可减少钢液的辐射热损失， 降低钢水的过热度u 2 。 保护渣的热物性及加入量，应与钢液面所能承受的冷却相适应。如果 钢液表面温度降低大于钢液的过热度，则钢液面可能结壳，渣子结块。为 此，应要求保护渣的吸热系数尽可能小，一般是通过减小渣子的导热系数 和密度来实现的。保护渣的颗粒形态也对保温性有一定的影响，粉渣和空 心颗粒渣的保温性较好，柱状渣较差【1 3 】。随着高速连铸保护渣和超低碳钢 用连铸保护渣的开发，为避免保护渣的保温性变差，普遍采用具有较低体 积密度的空心颗粒渣。 同时，在正常生产中，在结晶器内的钢液面也是不断更新的，只要渣 子很好地覆盖钢液面，就可以避免过大的温降，所以还要求保护渣具有很 好的铺展性。 1 2 3 连铸保护渣吸收夹杂的功能 结晶器内铸坯液相穴内上浮到钢液弯月面的夹杂物，有可能被卷入凝 固壳，造成皮下夹杂或表面缺陷。不同钢种上浮的夹杂不同，对保护渣物 性的影响是不同的，如低碳钢的a 1 2 0 3 夹杂，浇注含稀土的钢或含钛钢时， 钢中高熔点稀土氧化物、钛氧化物及钛的氮化物对保护渣性能的影响等， 这些夹杂物会引起保护渣的粘度、熔点或碱度等性能的变化 1 4 , 15 , 1 6 。当然， 适量的保护渣消耗，及时补充新渣，也有利于稀释液渣中夹杂含量。现行 的各种保护渣，不能吸收钢中的氮化物夹杂，因为它不熔于硅酸盐熔体中。 研究表明，在保护渣中加入n a + 、k + 、b a ”等离子半径大而且结合弱 的网络破坏体氧化物，以及加入与0 2 _ 半径相近的f 一可以促进保护渣对夹 杂物的吸收。另外，为了保证液渣吸收夹杂后的物性稳定，不产生较大的 变化，可以加入m g o 、b a o ，降低c a o s i 0 2 二元碱度，提高综合碱度， 及加入l i 2 0 等多种熔剂的技术1 1 7 】。 应当指出，降低铸坯中的氧化物夹杂含量，要靠提高钢液的清洁度和 防止二次氧化，不宜把保护渣视为提高铸坯清洁度的手段，只能看成钢渣 辽宁科技大学硕士论文 第一章文献综述 界面的净化手段。 1 2 4 连铸保护渣改善铸坯润滑的功能 在结晶器四周的弯月面处，由于结晶器的振动和坯壳与铜壁之间缝隙 的毛细管作用，液渣被吸入并充满铜壁与坯壳的缝隙中形成渣膜。在正常 情况下，与坯壳接触的渣膜一侧，由于与坯壳之间起着良好的润滑作用， 从而减少了拉坯阻力，防止“粘结”现象的发生。随着拉速的不断提高， 因结晶器振动频率的提高使保护渣难以流入铸坯与结晶器间的通道，保护 渣消耗量减少，拉坯摩擦阻力增加。当阻力超过坯壳强度时，会引起漏钢 事故，并且会引起纵裂指数的上升。渣膜润滑能力常用保护渣的消耗量和 来评价，也有直接使用坯壳与结晶器壁间的摩擦力来评价的。中户参认为 摩擦力 n a s a l 3 f 4 n a 2 c 0 3 n a c l c a f 2 为了适应近年来高速连铸的需要，连铸保护渣中配入b a o 、b 2 0 3 、l i 2 0 辽宁科技大学硕士论文第一章文献综述 及稀土元素等对熔点的影响受到重视。当b 2 0 3 加入量在1 0 以下时，每 增加1 b 2 0 3 ，可降低熔点约2 5 。c ，但超过1 0 以后，对熔点的影响就不 明显了1 2 。有人对l i 2 0 、m g o 和m n o 对熔点的影响进行研究，发现它们 都能有效降低熔点，尤其l i 2 0 的作用最为明显【2 5 1 。 另外，在浇注过程中，由钢液中上浮的夹杂物a 1 2 0 3 、t i 0 2 等进入液渣 后，也会影响到保护渣的熔点。研究认为，随进入渣中a 1 2 0 3 含量的增大， 熔点升高【2 6 1 。浇注含钛钢时，渣中t i 0 2 上升1 0 ，熔点降低1 0 0 。c 2 7 】。 连铸保护渣的熔速是评价保护渣供给液渣能力的重要参数，碳质材料 对熔速的影响最大。炭质材料的粒径小，比表面积大，而且不溶解于炉渣 中，常被用来控制保护渣的熔速。碳含量越高，炭质材料的分散度越大， 对熔速的控制作用越明显。石墨和炭黑为保护渣最常用的两类炭质材料， 其中炭黑对控制熔速的效果最显著。排除熔点的影响，实践表明保护渣在 黑渣操作的情况下，炭质材料粒度越细，分散度越高，控制熔速的效果越 明显，成渣速度越慢，比如碳黑；粒度越大，分散度越低，控制熔速的效 果越差，成渣速度越快，比如石墨。必须说明的是，连铸保护渣熔点对熔 速有一定的影响，研究者认为，能降低保护渣熔点的成分，都可以加快保 护渣的熔速【 】。 1 3 2 连铸保护渣组成与流动性能的关系 基于连铸保护渣有润滑铸坯的功能，人们对保护渣的流动性的认识研 究做了许多的工作，特别是粘度和凝固温度，冶金工作者从保护渣的碱度、 组份等方面发表了许多文章，探讨了它们之间的关系。 一般认为，增加连铸保护渣中的s i 0 2 和a 1 2 0 3 含量，会使保护渣粘度 上升，而m g o 和c a o 的作用正好相反【2 引。这是因为保护渣的熔渣结构被 认定是一种硅酸盐结构，s i o 四面体通过共用两个角连接形成长链。在 碱度0 6 0 1 2 0 之间时，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 + ， 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 2 8 1 。而m 9 2 + 和 c a ”会破坏s i o 四面体网链结构，使网链断裂，变形阻力减小，从而降 低保护渣粘度。t a k a t o 的研究也表明，a 1 2 0 3 对粘度有明显的影响，熔渣 粘度随a 1 2 0 3 含量增加而升高。原始渣的粘度高时，随渣中a 1 2 0 3 含量增 加，粘度急剧上升，但当保护渣的碱度高，配入的c a f 2 含量高，并配入少 量l i 2 0 时，保护渣的粘度随渣中a 1 2 0 3 含量增加的变化较小【2 9 1 。有人研 辽宁科技大学硕士论文 第一章文献综述 究了l i 2 0 、n a 2 0 、k 2 0 、f 一对高速连铸保护渣粘度的影响，实验结果表明， 这四种物质降低粘度的作用强弱顺序为： l i 2 0 n a 2 0 f 一 k 2 0 l i 2 0 含量在1 5 之间，能显著降低保护渣的粘度 3 0 1 。 连铸保护渣的凝固温度对连铸坯的润滑和传热有重要影响，对裂纹敏 感性钢种和粘结性钢种的浇注有重要意义。凝固温度升高，渣膜的传热系 数降低，保护渣的消耗量减小，液态渣膜变薄，铸坯与结晶器壁之间的摩 擦力加大。人们普遍认为，保护渣碱度的升高，会提高保护渣的凝固温度； m g o 对凝固温度的影响比较特殊，在m g o 含量 8 以后，凝固温度随m g o 含量的增 加而升高【”】；凝固温度随着渣中的n a 2 0 含量、a 1 2 0 3 含量和c a f 2 含量的 增加而降低1 3 1 】。综合碱度对粘度和凝固温度的影响一致，即随着综合碱度 的增大，连铸保护渣的粘度、凝固温度均逐渐减小，并且随着综合碱度的 增大，其对粘性特征的影响作用逐渐减弱1 3 2 。 1 3 3 连铸保护渣组成与结晶性能的关系 保护渣结晶性能是渣膜控制传热的非常重要的参数。研究得比较多的 有保护渣的结晶温度( t c ) 年t l 结晶率。一般认为，保护渣碱度提高，可以提 高结晶温度，保护渣的结晶倾向增大，见图1 1 p ”。m g o 含量7 时，结 晶指数为0 ；m g o 含量7 时，结晶指数大于1 。n a 2 0 、c a f 2 过高会引 起结晶，c a f 2 过高会引起枪晶石的析出，f 一 1 0 时，结晶析出显著，控 制渣中f 一 6 ，能抑制结晶。n a 2 0 过高会引起霞石的析出，减少n a 2 0 a 1 2 0 3 比值，可抑制结晶 2 5 1 。有人通过实验，得出保护渣的结晶温度随着 图1 1碱度对结晶温度的影响 辽宁科技大学硕士论文第一章文献综述 碱度、综合碱度、n a 2 c 0 3 含量的增加而升高，随着a 1 2 0 3 含量的增加而降 低3 4 】。有人通过实验研究了保护渣冷却速率提高对结晶性能的影响。结果 都表明，随冷却速率的提高，保护渣的结晶温度显著降低，结晶率降低， 晶体尺寸减小，晶型也有很大变化 3 5 , 3 6 】。 1 4 连铸保护渣和连铸浇注条件之间的关系 由于连铸过程工艺的复杂，连铸保护渣功能的实现不仅与其本身的组 成和性能有关，现场连铸工艺的不同以及工艺参数的稳定性等也有很大的 影响，被众多的研究者所重视。 1 4 1 钢种 钢种不同，使用的保护渣亦不相同，这主要体现在钢的含碳量和合金 元素上。由于碳含量不同，铸坯在冷却收缩过程中，铸坯的收缩系数不同， 如图i 2 l j 7 j ，与结晶器铜板壁之间形成的空隙大小不同，因此对连铸保护 渣的的流动性、传热和润滑要求都不相同【3 引。在浇注碳含量较高的钢种时， 铸坯的初生坯壳凝固收缩小，流动性好，坯壳与结晶器紧密接触，易产生 粘结和粘接漏钢，因此要求保护渣的润滑良好，同时高碳钢导热能力强， 坯壳均匀生长较快，不容易出现裂纹和裂纹漏钢，因此要求保护渣具有结 晶温度低，玻璃态好，碱度相对低的特点 2 5 1 。相反，碳含量在0 0 8 0 15 之间时，铸坯收缩系数大，要求保护渣具有较高的碱度、熔点、粘度和结 晶温度，控制渣膜传热的能力强。 p 诘 凸 一 口 鼎 垛 婷 掣 00 0 50 10 1 50 20 2 50 30 3 50 4 碳含量， 图1 2 钢中碳含量与铸坯收缩系数之间的关系 当钢液脱氧及合金化后，产生的氧化物夹杂不同，而保护渣具有吸收 夹杂的功能，吸收的夹杂不同，对保护渣的物性影响亦不相同。因此，在 o 9 8 7 6 5 4 3 2 l o 辽宁科技大学硕士论文 第一章文献综述 设计保护渣性能时，必须要考虑到这些夹杂的影响，要保证保护渣吸收夹 杂后的性能稳定，满足连铸工艺的要求。 1 4 2 拉速 为了提高生产力，连铸拉速也在不断的提高，而提高拉速也带来其它 问题。拉速提高，保护渣的消耗量就会减少，如图1 3 【3 9 。保护渣消耗量 是一个表征保护渣润滑性能的重要参数，它与渣膜厚度和坯壳与结晶器壁 间的摩擦力有直接关系。保护渣消耗量少时，无法很好的填充铸坯与结晁 器壁间空隙，渣膜厚度变薄，润滑变差，坯壳与结晶器壁间的摩擦力增大， 容易造成粘结漏钢和星状裂纹。因此。提高拉速的同时，必须提高保护渣 的消耗量。保护渣消耗量随着粘度的升高而降低，随着凝固温度、结晶温 度和熔点的提高而降低。 - 。 量 鬻 瓣 燃 霸 卷 暴 粪 黧 图1 3 拉速对保护渣消耗量的影响 珏v p m m l _ s a 图1 4r v 与裂纹指数之问的关系 9 辽宁科技大学硕士论文 第一章文献综述 因为r v 与铸坯表面的裂纹有一定的关系，很多研究者对玎v 的合适值 进行了大量的研究，得出了不同的玎v 合适值，如图1 4 3 7 。o g i b a g a s h i 认为r v = l - - 3 5 p m l m i n 的范围内时比较合适，而w o l f 指出，7 v 2 = 3 7 p m r a i n ) 2 时能达到最好的润滑效果3 6 1 。 1 4 3 结晶器振动条件 结晶器的振动方式分为正弦振动和非正弦振动两种，这两种振动方式 的不同点在于正、负滑动时间的多少。非正弦振动相比正弦振动，负滑动 时间长，保护渣消耗量增大，导致铸坯振痕深度增加，因此应该使用较高 粘度的保护渣，减小保护渣的消耗量。而振动频率对保护渣的影响为，振 动频率增加，振痕深度减小，保护渣消耗量也减少，要获得足够的润滑， 必须降低保护渣粘度、凝固温度和结晶温度。中户参研究了振动频率与粘 度的关系，认为要保持稳定的渣膜厚度，振动频率高的结晶器应使用低粘 度保护渣h 。 1 4 4 结晶器断面形状和尺寸 单位比表面积传热是结晶器断面形状和尺寸对连铸保护渣的要求的 重要参数。大断面的结晶器单位比表面积传热小，铸坯凝固速度慢，为了 保证铸坯出结晶器时能够有足够的坯壳厚度，相应地就要延长铸坯在结晶 器内的时间，要求拉速相对较低。因此，大断面结晶器对连铸保护渣的要 求和较低拉速时相同。另外，由于结晶器断面大，保护扎的消耗量也相应 增大，应适当增大保护渣中的碳含量，适当降低熔速，保持熔渣的供给和 消耗平衡。 总之，现场连铸工艺条件对连铸保护渣功能的实现有很大的影响，不 同工艺条件对保护渣的要求也不相同，如何平衡这些要求以达到最合适的 效果，是设计保护渣的理化指标时必须考虑的问题。当然，还有其它诸如 钢液过热度、结晶器液位控制、水口深度和结晶器水流量等对保护渣功能 的实现有一定影响。所以，在设计大方坯连铸保护渣时，不仅要单纯考虑 保护渣理化性能，还要考虑钢液特性等等现场工艺条件对保护渣的要求， 才能设计出满足需要的保护渣。 1 5 连铸保护渣对铸坯质量的影响 连铸保护渣加入结晶器钢液面上，其功能的实现对铸坯的表面质量有 辽宁科技大学硕士论文 第一章文献综述 很大影响。铸坯表面缺陷主要有：纵裂纹、横裂纹、星形裂纹、皮下夹渣 等。最严重的影响是由于保护渣性能差，导致坯壳润滑不够，引起的粘结 漏钢。 纵裂纹是来源于结晶器弯月面区初生坯壳厚度的不均匀性。碳含量在 o 0 6 0 1 8 之间的钢种，由于包晶反应发生向相转变，热收缩系数相 差很大，导致坯壳中的应力释放而出现裂纹。钢水面上液渣不能均匀流入 分布到铸坯四周，导致凝固壳厚薄不均，在坯壳较薄之处容易产生应力集 中，当应力超过凝壳的高温强度时就产生了裂纹。保护渣的粘度、熔速与 纵裂纹存在着一定的关系。当愈大，纵裂指数愈小1 4 1 】。粘度过低的熔渣 造成渣膜增厚。过厚的渣膜容易导致热性能不均，易产生纵裂纹。连铸厚 板a 1 s i 镇静钢的纵裂指数与保护渣的半融态温度范围有关。对熔渣层厚 度与表面缺陷的研究表明，结晶器钢液面上的液渣层保持5 15 m m ，可以 显著减少板坯表面纵裂纹。润滑不良也是产生铸坯纵裂的根源 4 2 1 。 由于结晶器的上下振动，在铸坯表面形成振痕，也是铸坯表面缺陷之 一。浅而圆滑的振痕可获得光滑的铸坯表面。振痕产生的原因是由于结晶 器往复运动，周期性地作用于弯月面所致。当振痕又宽又深的时候，在振 痕谷内容易嵌入夹渣，在后续的晶粒粗化和铸坯矫直时容易使内弧沿振痕 方向产生横裂纹。除与结晶器的振动有关外，与保护渣的润滑能力也有关 系。改善保护渣的润滑性能可使振痕深度得到改善1 4 3 1 。保护渣的粘度是影 响铸坯振痕深度的因素之一，提高保护渣的粘度，降低保护渣消耗量，可 以减小振痕深度。 星形裂纹一般发生在晶间的细小裂纹，呈星状或网状。通常是隐藏在 氧化铁皮下而难以发现，经酸洗或喷丸后才出现在铸坯表面。星形裂纹主 要是由于铜向铸坯表面层晶界的渗透，或者有a i n 、b n 或硫化物在晶界 沉淀，降低了晶界的强度，引起晶界的脆化，从而导致裂纹的形成。 皮下夹渣，也称表面夹渣，是指铸坯表皮下2 1 0 m m 镶嵌有大块的 渣子。若不清除这些夹渣，会造成成品表面缺陷，增加制品的废品率。夹 渣的导热性低于钢，致使夹渣处坯壳生长缓慢，凝固壳薄，容易引起拉漏。 保护渣浇注过程中，夹渣的根本原因是由于结晶器液面不稳定。因此，在 保证工艺条件稳定的条件下，也要选用性能良好的保护渣，控制好渣层的 厚度。 漏钢对连铸生产的危害非常大，其产生的根本原因在于结晶器内坯壳 薄且生长不均匀，当铸坯出结晶器下口后，承受不住钢液静压力及其他应 辽宁科技大学硕士论文第一章文献综述 力的综合作用，坯壳的薄弱处被撕开，钢液流出，造成漏钢。粘结漏钢是 浇注过程中主要的漏钢事故，占诸多漏钢事故的5 0 以上【4 4 1 。在保护浇注 过程中，保护渣粘度较大，液渣层较薄，流入结晶器不够充分，弯月面处 润滑不良，凝固壳与结晶器壁之间发生粘结，拉坯摩擦阻力增大，粘结处 被拉裂，并向下和两侧扩展，而流出的钢液形成新的薄坯壳，在结晶器上 升时，新的坯壳又被拉裂，再次形成新凝固壳。当铸坯凝固壳的破裂位置 拉出结晶器时，就产生漏钢。因此，要保证保护渣润滑性能良好，特别是 吸收钢液中的夹杂后，保护渣的性能要保持稳定；同时要保证液渣层厚度 及熔渣速度，起到稀释渣中夹杂的作用。 1 6 现场所用保护渣及存在的问题 鞍钢1 号大方坯连铸机断面为2 8 0 2 8 0 ( r a m m m ) 、2 8 0 3 8 0 ( m m m m ) ，年产9 0 万吨铸坯，经连轧后主要提供给大型厂、无缝厂、中型厂、 小型厂、线材厂等轧钢厂，其主要产品是重轨钢、无缝管、硬线及各种型 钢。2 号大方坯连铸机断面为2 8 0 3 8 0 ( m m m r n ) 、3 2 0 4 1 0 ( m m m m l ， 年产7 5 万吨铸坯，经万能轧机轧制成成品重轨钢等成品钢材，其主要产 品是各种型号重轨钢、h 型钢、大型材等钢材。铸坯为2 0 钢，其化学成 分如下表1 1 ： 表1 1 连铸大方坯钢牌号及化学成分表 原用保护渣成分及性能 原厂大方坯连铸机上使用的保护渣成分及性能如表1 2 和表1 3 。 表1 2 原保护渣成分及性能 辽宁科技大学硕士论文箍一二童塞熊鳖鎏 注。其中熔速在1 3 0 0 条件下测得。 1 6 1 现场工艺参数 大方坯连铸机主要技术参数见表1 4 ， 表1 4 大方坯连铸机主要技术参数 1 3 辽宁科技大学硕士论文第一章文献综述 1 6 2 原用保护渣存在的问题及改进思路 在实际使用过程中发现，该保护渣液渣层较厚，能很好的起到保护钢 水、防止卷渣的作用，但拉速或结晶器振动发生异常时，结晶器内弯月面 处有渣圈形成，并迅速增大，导致液渣难以有效填充铸坯和结晶器铜板间 隙，使铸坯表面的裂纹率较高，甚至导致漏钢事故。另外，液渣层过厚， 使得流入结晶器壁与铸坯坯壳间隙的液渣过剩，虽然能很好的起到润滑铸 坯的作用，但同时加快了渣膜的传热速率，并且液渣流入过剩还会导致铸 坯表面纵裂纹增多。为了进一步改善铸坯表面质量，减少漏钢事故的发生， 要求开发新型保护渣来代替该保护渣。 有人对2 0 钢大方坯连铸发生漏钢事故后的残留坯壳进行了检验，分 析了漏钢事故的机理和原因，认为是粘结漏钢，在拉坯过程中，坯壳冷却 时要经历万专y 相变，伴随有较大体积收缩，引起瞬间局部产生气隙，导 致热流减弱，造成热流不稳，坯壳厚度生长不均，对粘结漏钢有促进作用。 这就是2 0 号钢产生粘结漏钢次数多的原因【4 5 1 。 由于铸坯凝固收缩，导致气隙产生，如果保护渣不能即时补充，会造 成铸坯与结晶器铜板之间的传热不均匀，有气隙的地方传热减慢，而铸坯 内部的钢水由于温度梯度的存在继续向外传导热量，使得凝固的铸坯坯壳 熔化而减薄，直接导致铸坯坯壳厚度不均匀。在钢液压力作用下，铸坯坯 壳会被压向结晶器铜板，从而挤压气隙，使保护渣液渣膜能有效传递热量， 钢液凝固而增加坯壳厚度。 在坯壳厚度变化的这段时间里，要求保护渣熔化形成的渣膜能很好的 传导热量，同时要保证其粘滞流动能很快补充气隙，润滑铸坯坯壳，这就 使得保护渣膜对铸坯润滑和渣膜传热之间存在矛盾，必须协调处理。2 0 钢 大方坯连铸过程中，结晶器内铸坯坯壳的冷却收缩是必然存在、无可改变 的，因此必须要调整保护渣，重点是渣膜的润滑和传热性能，故在配制新 渣时考虑其结晶性能。降低结晶温度可以减小固态结晶相渣膜厚度，降低 结晶率，从而控制铸坯坯壳和结晶器壁之间的传热。原用保护渣的结晶温 度过高是导致粘结漏钢事故的主要原因。 因此，在现场生产条件不做调整的情况下，开发新保护渣应该从提高 熔点、降低熔速、增大粘度和降低结晶温度这几个方面来进行。 辽宁科技大学硕士论文第二章实验方法及数据处理 2 1 实验方案 2 实验方法及数据处理 实验考虑保护渣的碱度、a 1 2 0 3 、助熔剂( n a 2 0 、c a f 2 ) 、c 含量对实验 保护渣性能( 熔点、熔速、粘度及结晶温度) 的影响，以所得数据为基准， 分析保护渣成分与性能之间的关系，作为配制工业保护渣的理论基础。 2 2 实验所用设备及方法 2 2 1 熔点和熔速测定 由于保护渣是多种材料的机械混合物，会在一定温度范围内熔化，为 了统一其熔点的标准，人们将保护渣熔化达到一定流动性的温度定义为熔 点。实际应用中是将渣料制成3 x3 m m 的标准试件，在半球点测定仪上测 定的，即将试样加热到由圆柱形变为半球形的温度，称为熔点( t ) 。连铸生 产中通常将保护渣的熔点控制在1 2 0 0 以下。通常用一定质量的试样在测 定温度下完全熔化所需的时间来表示熔速，也可用测定试样达到半球点所 需要的时间来确定。 2 2 1 1 实验设备 采用熔点熔速和熔速测定仪测定保护渣的熔点和熔速，实验设备如图 2 1 。温度控制仪的升温和控温的精度均为1 。 l 滑轨；2 成像系统；3 炉体；4 热电偶；5 支撑管 图2 1 熔点和熔速测定仪装置图 2 2 1 2 试样制备 ( 1 ) 将用天平称好的不同成分渣样在研钵中研碎，过2 0 0 目( o 0 7 4 m m ) 筛， 一1 5 辽宁科技大学硕士论文 第二章实验方法及数据处理 混匀成渣粉待用； ( 2 ) 将渣粉置于蒸发皿内，加入适量水，均匀研磨混和，使之具有成型能力： ( 3 ) 将上述渣粉放入制样器内压制成3 3 m m 的圆柱形试样； ( 4 ) 将制好后的渣样从制样器中推出，放入烘箱中烘干，备用。 2 2 1 3 熔点的测定 在实践中为了相对地比较炉渣的熔化特性，常用半球法一一试样变形 法，该方法是一种半经验的方法，即用试样变形过程的形态来表示其熔化 特性。因为多元渣系的熔化过程是在一定温度范围内进行的，则随着温度 的升高，液相量将增加，试样形状要改变，试样变形法就是根据这一原理 来测定其熔点的。随着温度的升高，圆柱型试样被烧结而收缩，然后逐步 熔化，其试样高度不断降低，变形状态( 4 5 h ) 时温度为“开始熔点”，称 状态( 1 2 h ) 的温度为“熔点”或“半球温度”；温度进一步升高，试样中 液相部分流动性增大而铺展在垫片上，呈状态( 1 5 h ) ，称此状态时温度为 “完全熔点”。如图2 2 所示。 a 开始熔点b 熔点 c 完全熔点 图2 2 熔化过程试样高度的变化 实验步骤如下： ( 1 ) 将垫片( 不锈钢片) 放在支撑管的一边，并保持水平，再将烘干后的试 样放在垫片上，其位置正好处于热电偶工作端的上方。然后移动炉体使试 样恰好处于炉体中部高温区内； ( 2 ) 调整摄像机的焦距和对比度，便试样在计算机显示器中央呈现一个清晰 辽宁科技大学硕士论文第二章实验方法及数据处理 放大的图像； ( 3 ) 调整测量栅格的大小，使之与试样的大小相符和，调整栅格的位置，使 栅格的底部对准试样的底部，使试样的像正好位于六条栅格线之间，以便 观察试样的高度变化，测定渣样的熔化特性温度： ( 4 ) 用程序温度控制仪给电炉供电升温，当温度接近9 0 0 时控制升温速度， 以得到比较准确的熔点； ( 5 ) 保持l o r a i n 的升温速度，观察屏幕上试样高度的变化，同时记录温 度的数值，以便得到试样高度降至4 5 h 时的温度一一开始熔点；当试样高 度降低至1 2 h 时的温度一一熔点；当试样高度降至1 5 h 时的温度一一完 全熔点： ( 6 ) 测试完毕后降低炉温，移开炉体，取出垫片，再放置一个新垫片和新试 样，重复试验，取3 次实验的平均值。 2 2 1 4 熔速的测定 ( 1 ) 用程序温度控制仪给电炉供电升温，并使其温度恒定在1 3 0 0 。c ； ( 2 ) 迅速将垫片( 不锈钢片) 放在支撑管的一端，并保持水平，再将试样放 在垫片上，使其正好处在热电偶的工作端的上方，然后移动炉体，使试样 恰好位于炉体中部高温区； ( 3 ) 迅速调整摄像机的焦距和对比度，使试样在计算机屏幕中央呈现一个清 晰放大的像； ( 4 ) 调整测量栅格的大小，使之与试样的大小相符和，调整栅格的位置，使 栅格的底部对准试样的底部，使试样的像正好位于六条栅格线之间，以便 观察试样的高度变化； ( 5 ) 在此温度下观察屏幕上试样熔化的特征，用秒表记录下试样从开始到完 全熔化所用的时间； ( 6 ) 测量完毕后，移开炉体取出垫片，再放入新的垫片和试样，重复试样， 取3 次实验的平均值，为该种保护渣的熔速。 2 2 2 粘度测定 2 2 2 1 实验装置 实验采用旋转粘度计测定连铸保护渣的粘度，实验过程在m o s i 2 高温 炉内进行，如图2 3 所示。炉膛内控温热电偶的测温位置在石墨坩埚底部。 辽宁科技大学硕士论文 第二章实验方法及数据处理 温度升降采用计算机程序控制，控温精度为o 5 。盛放渣料的高纯石墨 坩埚内径4 0 m m ，高度8 0 r a m 。石墨坩埚内衬m o 片，防止石墨污染熔渣。 炉管内衬石墨套筒，防止高温条件下m o 质测头的氧化和渣料中碱金属及 氟化物的挥发腐蚀。粘度测定时m o 质测头旋转速度9 r p m 。 l 旋转机构；2 挡板3 石墨套；4 炉管；5 热电偶 6 炉体；7 石墨坩埚；8 温度控制系统及数据采集系统； 9 熔渣1 0 m o 质测头；1 l 控温热电偶 图2 3 旋转粘度计 2 2 2 2 渣料的准备 把待用的保护渣过2 0 0 目( 0 。0 7 4 m m ) 筛，混匀成渣粉，用天平称量 1 4 0 9 渣样待用。 2 2 2 3 实验步骤 ( 1 ) 用程序温度控制仪供电升温，使炉膛温度恒定在i 3 0 0 。c ； ( 2 ) 将称量后的渣样加入石墨坩埚，将石墨坩埚放入炉膛内加热； ( 3 ) 3 0 r a i n 后待渣料均匀熔化后，将旋转的m o 质测头下降至一定高度，使 其下端距离石墨坩埚底部l o m m ； ( 4 ) 计算机采集系统开始记录数据； ( 5 ) 重复上述实验步骤，测量其他渣样。 辽宁科技大学硕士论文 第二章实验方法及数据处理 2 2 3 结晶温度测定 2 2 3 1 实验装置 在实验室中采用热丝法测定保护渣的结晶温度。相对于差热分析仪测 定法来说，热丝法的精确度稍差，但热丝法操作简单，成像准确直观，可 以通过电脑录像直接分析保护渣的结晶过程。因此，在本论文中测定的实 验室保护渣均是由热丝法测定得到。 图2 4 热丝法测定系统装置 熟丝法测定系统由3 个大部分组成，包括计算机、微型控制箱和加热 摄像系统。热丝法技术是指将同一根双铂铑热电偶丝既作为加热元件， 又作测温元件。将被测物直接置于热电偶的热接点上，用计算机系统控制 热电偶按预定温速升温、降温，并同时采集热电偶的热电势，数据通过计 算和线性化处理后传送给计算机，计算机以图文方式直接显示出热电偶的 温度值。通过图像采集卡将彩色摄像机拍摄到的图像在显示屏上显示出 来，在显示屏上可观察到整个试样的物理性能变化过程，并可测得试样的 开始熔化温度、熔化温度区间、结晶温度和结晶率等参数，还可将有价值 的图片及曲线通过自动方式连续捕捉并保存下来，便于随时查看。 2 2 3 2 渣料制备 实验渣样由纯化学试剂配制而成。其中n a 2 0 以n a 2 c 0 3 代替。配制好 的渣样由机械混合后，装入垫有钼片的石墨坩锅内，放人m o s i 炉升温到 14 0 0 ，恒温3 0r a i n 后，取出淬火。实验过程中炉内通氢气保护，淬火 后的渣样磨细至0 0 7 4 m m 待用。 辽宁科技大学硕士论文第二章实验方法及数据处理 2 2 3 3 实验步骤 将制备好的渣样用无水酒精调成糊状，取2 3 m g 均匀平铺在热电偶 接点位置，用表面皿和茶色平板玻璃盖好微型电炉，然后将微型电炉置于 显微镜下，以3 0 s 的速度井温，直至渣样完全熔涛。渣样完全熔清后， 启动降温程序，使渣样以1 5 o 1 。c s 的冷却速率降至室温，利用试样上 方的显微镜( 放大2 0 倍) 及视频采集系统同时对渣样进行观测。采用相关软 件计算结晶面积及渣膜总面积，以两者的比值作为结晶化率。将渣样有晶 体出现时的湿度记为结晶温度( 瓦) ，渣样结晶终止时的温度记为结晶终止 温度( ) 。 2 3 实验数据处理 2 3 1 数据整理 将实验测得的数据进行整理列到附录连铸用保护渣化学成分表中。 2 3 2 实验数据分析 对实验数据进行整理，得到保护渣成分与熔点、熔速、粘度和结晶温 度的拟合曲线，并以此分析它们之间的相互关系。 2 3 3 保护渣成分对熔点的影响 保护渣的熔点( t ) 与基本原料的配料组成以及助熔剂的种类和用量等 有密切的关系。 2 3 3 1 基本原料对熔点的影响 保护渣的基本原料包括c a o 、s i 0 2 、a 1 2 0 3 。其中氧化钙与二氧化硅的 质量百分含量的比值称为碱度r 。图2 5 、2 6 分别是r i 时，实 验用保护渣a 1 2 0 3 含量与熔点的关系。 当碱度小于1 时，保护渣熔点随着a 1 2 0 3 含量的增加而升高，a 1 2 0 3 含量由2 变化到8 ，熔点相应的由1 0 9 0 0 增加到1 1 3 0 ，增加4 0 。 在浇铸过程中，a l z 0 3 含量由于钢中夹杂物被保护渣吸收，使a 1 2 0 3 含量增 加，使保护渣的熔点升高。 当碱度大于1 时，保护渣的熔点随着a 1 2 0 3 含量的增加略有降低，但 降低的幅度非常小。 辽宁科技大学硕士论文 第二章实验方法及数据处理 p 一 图2 5a 1 2 0 3 含量与熔点的关系( r i ) 综合图2 4 、2 5 ，a 1 2 0 3 含量对保护渣的熔点影响较小，在保护渣的 设计中很少通过改变a 1 2 0 3 的含量来调节保护渣的熔点。但是由于在浇铸 过程中，保护渣要吸收钢液中a 1 2 0 3 ，使保护渣的成分发生变化，因此， 要控制保护渣中a 1 2 0 3 含量，在浇铸过程中得到相对稳定的理化性能。 2 3 3 2f 一含量对保护渣熔点的影响 在保护渣的配制中，常用的助熔剂为c a f 2 和n a 2 0 ，保护渣的熔点与 加入的助熔剂的种类和数量有关系。 c a f 2 是保护渣常用的助熔剂之一。图2 7 、2 8 分别是r 1 时f 一 含量对熔点的影响。 辽宁科技大学硕士论文第二章实验方法及数据处理 图2 7f 一含量与熔点的关系( r 1 ) 由图2 6 、2 7 可见，保护渣的熔点随着f 一含量的增加有着明显的降 低。当f 。含量小于5 时，熔点随着f 一含量的增加而迅速降低，而且与碱 度有密切的关系。当碱度大于1 时，保护渣的熔点随着f 。含量的增加而迅 速减小。当达到5 附近时，f 一含量的增加对保护渣的熔点几乎没有影响。 当碱度小于1 时，保护渣的熔点随着f 一含量的增加而减小。但是与碱度大 于1 时相比，作用较小。当f 一含量增加到6 5 左右，曲线接近于直线， 这说明：当保护渣中f ”的含量小于6 5 时，可以通过增加f 一的百分含量 来降低保护渣的熔点。当保护渣中f 一的含量接近和大于6 5 时，增加f 一 的百分含量就不能有效地降低保护渣的熔点。 所以，在保护渣的设计中要根据要求，采用不同的方法来调节保护渣 的成分从而得到满意的熔点。 辽宁科技大学硕士论文第二章实验方法及数据处理 2 3 3 3n a 2 0 和k 2 0 含量对熔