（材料学专业论文）薄板坯连铸保护渣消耗量与材料组成性能的关系.pdf

辽宁科技人学硕上论文 摘要 摘要 薄板坯连铸用保护渣与传统板坯连铸用保护渣在其物理性能上有较 大地差异。薄板坯连铸保护渣要求具有较低地粘度、较低地熔化温度、较 快地熔化速度、合适的碱度以及足够的消耗量。本文简要阐述了薄板坯连 铸工艺技术的特点及应用于薄板坯连铸工艺保护渣的发展现状，主要研究 了薄板坯连铸保护渣的化学组成对渣的物理性能的影响。重点讨论了保护 渣的材料组成对流淌长度( 即消耗量) 的影响关系。由于保护渣的材料组成 性能与其消耗量有很强的依赖关系，因此，本实验通过调节l i 2 c 0 3 、n a f 、 n a 2 c 0 3 、c a f 2 以及人造冰晶石等助熔剂的含量和保护渣的碱度，测得保护 渣的熔化温度、粘度、表面张力和流淌长度，研究了薄板坯连铸保护渣的 材料组成性能与消耗量之间的关系。实验结果表明，l i 2 0 是保护渣最为理 想的助熔剂，其含量宜在2 5 之间；各种助熔剂含量增加以后，渣的物 理性能明显改善，但是添加量也不宜过多，否则会影响渣的润滑性和消耗 量：粘度是保护渣流淌长度的一个重要影响因素；表面张力受到材料组成 影响的规律不显著；保护渣的碱度选择要适宜。各种助熔剂对增加流淌长 度的次序为l i 2 c 0 3 n a f 人造冰晶石 n a 2 c 0 3 c a f 2 ，即影响消耗量的次 序。 本文为薄板坯连铸保护渣消耗量提供了一种新的研究方法，经实际测 量验证，实验所选择的测试方法可行，测试稳定性可靠，选择测试参数合 理。 关键词：薄板坯保护渣，材料组成，粘度，流淌长度，消耗量 辽宁科技人学硕士论文 a b s t r a c t ab s t r a c t t h e r ei sad i f f e r e n c ee x i s t sb e t w e e nt h em o u l dp o w d e rt e c h n i q u ef o rt h i n s l a bc o n t i n u o u sc a s t i n ga n dt h en o r m a ls l a bc o n t i n u o u sc a s t i n gp o w d e ri n p h y s i c a lp r o p e r t i e s t h ef o r m e ri sc h a r a c t e r i z e db yl o w e rm e l t i n gt e m p e r a t u r e ， l o w e rv i s c o s i t y ，h i g h e rm e l t i n gr a t e ，p r o p e rb a s i c i t ya n di n f l u e n tc o n s u m p t i o n t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ec h a r a c t e r i s t i co ft h i ns l a bc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s a n da p p l i c a t i o ns i t u a t i o no fc a s t i n g - p o w d e ri nt h ep r o c e s s a n a l y z e st h ee f f e c t o fc h e m i c a lc o m p o n e n to ft h em o u l dp o w d e ro ni t s p e r f o r m a n c e ，w h i l ei t c h a n g e s ，t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e sh a sb ee f f e c t e d e m p h a s i z ed i s c u s s e st h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o m p o s i t i o no fm a t e r i a la n dt h ec o n s u m p t i o no f m o u l dp o w d e rf o rt h i ns l a bc a s t i n g b e c a u s ec o n s u m p t i o ns t r o n g l yr e l i e so d t h ec o m p o s i t i o na n dp e r f o r m a n c eo fm a t e r i a lo fm o u l dp o w d e rf o rt h i ns l a b c a s t i n g ，t h ee x p e r i m e n tm e a s u r e st h em e l t i n gt e m p e r a t u r e ，s u r f a c et e n s i o na n d f l u i dl e n g t ho fm o u l dp o w d e rb yr e g u l a t i n gt h ec o n t e n to fl i 2 c 0 3 ，n a f ， n a 2 c 0 3 ，c a f 2 ，c r y o l i t ea n dt h eb a s i c i t yo fm o u l dp o w d e r ，i no r d e rt os t u d yt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o m p o s i t i o na n dp e r f o r m a n c eo fm a t e r i a la n dt h e c o n s u m p t i o no fm o u l dp o w d e rf o rt h i ns l a bc a s t i n g t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tl i 2 0i st h eo p t i m a lf u s i n ga g e n t s ，t h ec o n t e n to fi ts h o u l db e b e t w e e n2 a n d5 ：t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e sw i l lb ei m p r o v e dd i s t i n c t l ya f t e r a d df u s i n ga g e n t s t h ec o n t e n to ff u s i n ga g e n t sc a n te x c e s s i v e l y ，o rt h e l u b r i c i t ya n dc o n s u m p t i o ns h o u l db ea f f e c t e d t h ev i s c o s i t yi s o n eo ft h e i m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o u l df l u x sf l u i dl e n g t h t h ei n f l u e n c eo ft h e s u r f a c et e n s i o ni sn o tr e m a r k a b l ei nt h e r m o d y n a m i c s t h em o u l dp o w d e rf o r t h i ns l a bc a s t i n gn e e d so p t i m u mb a s i c i t y v a r i o u sf l u x e sc a ni n c r e a s et h ef l u i d l e n g t ha n dt h eo r d e ro fi n f l u e n c ei sl i 2 c 0 3 n a f c r y o l i t e n a 2 c 0 3 c a f 2 t h eo r d e ri sa l s ot h ei n f l u e n c eo fc o n s u m p t i o n an e wr e s e a r c ha p p r o a c hi sa f f o r d e di nt h i sp a p e rf o rt h ec o n s u m p t i o no f m o u l dp o w d e r t h r o u g hv a l i d a t ei nt h ee x p e r i m e n t ，t h em e a s u r em e t h o di sa f e a s i b l ep r o g r a m ，t h es u r v e y i n gs t a b i l i t yi st r u s t i n e s s ，t h ep a r a m e t e rw h i c ht h e e x p e r i m e n to p t i o n e di sr e a s o n a b l y 1 i 辽宁科技大学硕上论文 a b s t r a c t k e y w o r d s ：m o u l d p o w d e r f o rt h i ns l a b c a s t i n g ，m a t e r i a l c o m p o s i t i o n ，v i s c o s i t y ，f l u i dl e n g t h ，c o n s u m p t i o n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 鞍山科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，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 并表示了谢意。 签名：组日期：2 1 ) ：! ：矽 关于论文使用授权的说明 本人完全了解鞍山科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：组翩龇缒期：迦三婴 辽宁科技人学硕士论文绪论 绪论 1 1 目前连铸保护渣的发展概况及其主要功能 鉴于连铸保护渣技术在现代连铸生产中的重要地位，欧洲一些国家从 1 9 6 2 年开始，连续铸钢采用粉末保护渣浇注。1 9 6 5 年日本在连铸机上应 用了粉末保护渣浇注。7 0 年代是连铸保护渣的研究和应用比较活跃的时 期，1 9 7 3 年日本的左藤良吉对保护渣的研究做出了重要贡献。在2 0 世纪 8 0 年代末、9 0 年代初欧洲煤钢联投入大量资金对保护渣原材料、基本组 成及特性、在连铸过程中的行为作用和连铸保护渣工业化生产等1 7 个项 目进行了系统研究，取得了很好效果，促进了连铸技术的发展：美国材料 协会从19 9 6 年开始研究和建立连铸保护渣生产和使用技术标准，大大促 进了保护渣技术的发展；同本和韩国除了进行大量保护渣基础理论研究 外，还不断开发连铸保护渣生产的在线检测和控制技术。这些研究和开发 一方面形成了连铸保护渣的产业；另一方面大大促进了保护渣理论的深化 和提高。 总之，国外主要进行了三方面的工作： ( 1 ) 进行保护渣基础理论研究，其目的是开发出适合各种连铸品种和 工艺要求的保护渣； ( 2 ) 采用了计算机模拟技术及专家系统，进行结晶器内保护渣熔化特 性模拟及保护渣成分设计； ( 3 ) 建造先进的保护渣生产厂，生产性能稳定和高质量的保护渣，并 使之商品化，我国各钢厂进口的保护渣多数从这些厂购进。目前工业发达 国家已经做到连铸保护渣系列化、商品化。 我国连铸保护渣自1 9 7 2 年开始研制，至今已有3 0 多年的历史，已经 具有研究开发保护渣的能力，并建成了一批保护渣生产厂。近十年来，主 要进行了将粉状渣制成颗粒状渣的使用研究，现在已经发展成多种品种的 颗粒渣，除了个别品种的保护渣需从国外进口外，国产保护渣基本上能满 足目前国内连铸生产的需要，而且在保护渣基础理论研究方面有所创新。 国内许多钢厂都有自己的保护渣生产厂，如鞍钢、武钢等【2 j 。 连铸保护渣之所以受到如此重视，一是因为连铸生产对保护渣的使用 辽宁科技大学硕士论文 绪论 性能要求很高，刁i 同的钢种、不同的机型要使用不同性能的保护渣；二是 因为连铸保护渣对连铸生产顺行和铸坯表面质量的提高起着关键作用【3j 。 连铸保护渣是直接影响连铸稳定生产和改善铸坯质量的一种消耗材料，它 的性能对连铸钢坯的表面及内部质量有着决定性的影响，它是影响连铸机 生产效率的一个重大因素。 连铸保护渣在连铸生产中主要具有如下功能： ( 1 ) 可防止连铸结晶器内铡水的氧化。保护渣均匀地覆盖在结晶器钢 液表面，阻止了空气与钢液的直接接触，有效地避免了钢液的二次氧化； ( 2 ) 可在结晶器内钢水面上形成一绝热层，防止结晶器内钢水表面的 凝固，防止结晶器钢液面热辐射，避免钢液面形成“结块”或“流冰”即液面 凝壳【4 j 。由于保护渣的三层结构，钢液通过保护渣的散热量，比裸露状态 的散热量要小1 0 倍左右，从而避免了钢液面的冷凝结壳1 6 ； ( 3 1 可吸收结晶器内钢水中的非金属夹杂物，净化钢液。加入的保护 渣在钢液面上形成一层液渣，具有良好的吸附和溶解从钢液中上浮的夹杂 物，达到清洁钢液作用； ( 4 1 可在结晶器器壁和铸坯凝固壳之间形成均匀的润滑层，起到了良 好的润滑作用，防止了铸坯与结晶嚣壁的粘结，减少了拉坯阻力，从而防 止产生粘接性拉漏事故； f 5 1 可在铸坯和结晶器之间形成均匀的热传输，使坯壳得以均匀生长， 防止产生铸坯的表面缺陷。 保护渣的五大冶金功能中的每一个功能都影响着一方面或几方面的 铸坯表面及皮下质量： f 1 ) 保护渣保温绝热功能影响到结晶器内弯月面处铸坯坯壳形成形状 及早晚，进而影响到皮下夹杂物的富积： ( 2 ) 润滑作用影响到表面质量 ( 3 ) 吸收及溶解非金属夹杂物，影响到铸机内弧的夹杂物的富积程度； ( 4 ) 防止钢液的二次氧化，减少铸坯中的夹杂物； f 5 ) 改善和控制结晶器内的传热速度和均匀性。这一点会影响到铸坯 表面的各种裂纹及缺陷。 1 2 课题研究的目的和意义 薄板坯连铸的铸坯质量大都与连铸保护渣有直接的关系。为此，各国 辽宁科技大学硕士论文绪论 冶金工作者非常重视薄板坯连铸保护渣的研究。薄板坯连铸拉坯速度比传 统板坯连铸快得多，使用传统板坯连铸用的保护渣( 混合型、预熔型) 己 不适用【“。通过分析薄板坯连铸技术的发展，可以看出连铸保护渣对稳定 薄板坯连铸工艺，扩大薄板坯连铸品种，提高铸坯表面质量和产量以及减 轻操作难度有着十分重要的作用。可以说，薄板坯连铸能达到目前的水平 是与连铸保护渣技术密不可分的。因此，作为薄板坯连铸技术的重要组成 部分，下大力量进行开发研究薄板坯连铸保护渣技术，使之符合薄板坯连 铸工艺要求具有十分重要的意义。 合适的保护渣消耗量是薄板铸坯有良好润滑和传热性能的重要保证。 在高拉速薄板坯连铸过程中，要保证良好的润滑作用和正常拉坯，结晶器 中整个坯壳外表面都应有一层适当厚度的渣膜。本次实验将在满足保护渣 的各理化性能的前提下，研究如何配置保护渣基料和助熔剂，从而配制出 适合于薄板坯连铸用的连铸保护渣是研究该课题的重点，其中针对薄板坯 连铸保护渣的各项理化性能对保护渣消耗量的影响关系的研究是本课题 的核心部分。即不同配方保护渣的熔点、熔化区间、熔速、粘度、表面张 力及结晶温度引起的保护渣消耗量的变化。通过实验证明所研制的保护渣 使用效果能满足薄板坯连铸的需要是研究的最终目标。 1 3 课题研究的可行性 随着连铸技术的发展与成熟，连铸保护渣在连铸生产中占有越来越重 要的地位。它除了对钢水表面起绝热保温和化学保护的作用外，还是净化 钢水、控制结晶器和钢坯之间热量传递的有效工具。因此，保护渣是连铸 生产的关键技术之一。 与此同时，薄板坯连铸技术也在不断的发展，这就要求在薄板坯连铸 的过程中使用的保护渣要满足薄板坯连铸高拉速的工艺要求。薄板坯连铸 保护渣应该具有较高的流入缝隙的能力，以满足拉速提高对液渣消耗量的 要求。本实验从生产现场应用的角度考虑，目前人们最为关心的是保护渣 一定要满足有适当消耗量的要求，从而可以保证良好的润滑能力和正常拉 坯。保护渣的流淌长度可以很好的反映其在使用过程中的润滑能力，这一 指标受液渣的化学组分影响极大，与液渣的粘度有着密切的关系。除此之 外，它还与保护渣的熔化温度、熔化速度、结晶温度及表面张力密切相关。 从这个意义上来讲，保护渣的流淌长度能很好的表征保护渣在使用过程中 辽宁科技大学硕士论文 绪论 的消耗量这一性能指标。因此，用流淌长度来模拟保护渣的消耗量，来探 讨薄板坯保护渣消耗量与材料组成性能的关系这一方法的提出与深入研 究，具有一定的理论基础和实用价值。 为此，本文设计了一种使用方便、操作迅速、测定准确且制作成本低 的简单装置来测量保护渣的流淌长度，从而设计出可以用来模拟保护渣消 耗量这一性能指标的新方法。 1 4 课题研究的主要内容及创新点 本课题的整个研究工作过程主要包括： ( 1 ) 设计合理的测试装置，经过预算，选择合理的参数，来测定保护 渣的流淌长度； ( 2 1 利用已有的已投入现场使用的薄板坯保护渣的理化性能作为参考 数据来确定、调整和优化实验配方，探讨薄板坯保护渣化学成分与物理性 能的关系： ( 3 ) 利用设计的流淌测试装置，研究实验配制保护渣的化学组成变化 对流淌长度的影响关系，进而讨论薄板坯连铸保护渣消耗量与材料组成性 能的关系。 本课题研究的创新点主要包括以下三个部分： ( 1 ) 通过测量保护渣在熔化状态下的流淌长度来模拟保护渣消耗量的 方法为国内首创； ( 2 ) 将保护渣的理化性能与使用性能直接联系起来。 辽宁科技大学硕士论文 第二章文献综述 2 1 薄板坯连铸概述 2 1 1 薄板坯连铸发展概况 第二章文献综述 从2 0 世纪7 0 年代以来，经过近3 0 年的努力，采用连续铸铡生产15 0 2 5 0 m m 厚的板坯取代钢锭来生产板材己获得广泛应用。与钢锭相比，板坯 已比较接近于最终产品尺寸。但对市场需求量较大的板带( 中板、薄板) 仍 存在加工量较大，能量消耗量较高，生产周期较长，成本较高的问题。对 板坯厚度仍有进一步减薄的需要。因此开发能浇注更薄的板坯，有更高的 浇注速度，使生产能力具有经济规模的连铸连轧生产板带技术，一直是世 界钢铁界研究的热门课题【8 j 。 最近几年，薄板坯连铸以产量高、节约能源、节省投资费用、减少加 工成本、提高产品质量和经济效益好以及产品接近成品等优点，受到广大 冶金工作者的注意，发展速度比较快。目前，世界上各类薄板坯连铸机的 生产能力已达3 8 0 0 万t a 。据日本钢铁界人士预测到2 0 2 0 年连铸薄板坯 产量将占连铸坯总产量的4 5 6 0 ，连铸带钢产量将占总产量的1 0 - 15 ， 而传统连铸机所浇铸的连铸坯产量将仅占连铸坯总产量的3 0 - 4 5 。 由此可见，近几年来，薄板坯连铸技术己取得突破性进展，薄板坯连 铸连轧新工艺不断涌现。薄板坯连铸技术已经是当今世界钢铁冶金生产行 业具有革命性的一项前沿技术，它带来了热轧带钢生产的经济性革命。 与普通连铸工艺相比，薄板坯连铸的工艺流程紧凑、简化，设备减少， 生产线缩短，生产周期短，投资成本低，能源消耗低，并且首次将连铸、 温度均匀化和热轧三个工艺阶段连接在一起，可有效地生产高质量的热轧 带钢。薄板坯连铸技术在工业上的成功应用，受到冶金企业的普遍青睐， 从出现到如今不过十多年，它却引起了扁平材生产技术革命性的变化，并 且将在今后十年内对传统的钢铁联合企业带来巨大的冲击，有很强的市场 竞争力。到目前为止，已有近三十条生产线在全球范围内高效运转，典型 的薄板坯连铸工艺有德国西马克公司开发出的c s p 工艺即紧凑式热带生 产工艺，德马克公司开发的i s p 工艺即在线热带生产工艺等。我国已投入 生产的有珠钢、邯钢、包钢、马钢和涟钢等c s p 生产线一j 。 辽宁科技大学颂士论文 第= 章文献综述 2 1 2 薄板坯连铸技术特点 与传统的热轧板生产工艺相比，薄板坯连铸连轧工艺在技术和经济等 方面具有明显的优势【l 。】： ( 1 ) 工艺简化、设备减少、生产线短，从而大幅度降低了基本建设投 资使得吨钢投资下降1 9 3 4 ； ( 2 ) 生产周期短。从冶炼钢水至钢卷送到运输链，仅需约2 h ，从而减 少了大量流动资金； ( 3 ) 成材率提高约2 3 ，能耗降低约2 0 ，从而降低了生产成本，使 吨材成本降低； ( 4 ) 产品的性能更加均匀、稳定。由于薄板坯在结晶器内的冷却强度 远远大于传统的板坯，其原始的铸态组织晶粒比传统板坯更细、更均匀； ( 5 ) 产品的纵、横向精度更高。薄板坯连铸连轧的均热工艺保证板坯 在轧制过程中温度的均匀和稳定，从而获得更高的纵、横向的尺寸精度， 同时也更便于生产对轧制温度要求较高的钢种，如硅钢等； ( 6 ) 适于生产薄规格热轧板卷，从而提高产品的附加值，甚至替代部 分冷轧产品，获得更好的经济效益。 由于薄板坯连铸的这些优点，薄板坯连铸保护渣的研究已成为冶金工 作者研究的一个重要课题。 2 2 薄板坯连铸保护渣的出现和特性 2 2 1 薄板坯连铸对保护渣的要求 薄板坯连铸与厚板坯连铸之问存在着较大的差异，主要体现在高拉速 的薄板坯连铸使结晶器中的摩擦力增大；需润滑的比表面积增大：结晶器 中钢水量少，加之铸速高，致使结晶器中钢液面易产生波动；结晶器中钢 水停留时间短：渣耗急剧下降，渣膜厚度减小；以及结晶器出口处坯壳厚 度减薄等 1 1 1 。薄板坯连铸的这些特点对保护渣提出了更高的要求，因此用 于薄板坯连铸的保护渣与传统的厚板坯连铸用保护渣在化学成分及理化性 能上差异很大。 薄板坯连铸要求保护渣在单位时间内成渣速度必须快1 1 引，在高拉速或 拉速变化较大的情况下仍能维持足够的渣耗。薄板连铸坯的拉速可达 3 6 m r a i n ”】，比一般板坯连铸的拉速要快得多，在大幅度提高拉速的情况 下仍然使用普通常规保护渣时，其液渣层随拉速的提高而变薄，倘若成渣 辽宁科技大学硕士论文第= 章立献综述 速度再跟不上，那么液渣来不及补充，影响铸坯的润滑，由此会引发出一 系列的问题：如由于铸坯粘结而漏钢，或者出现铸坯纵裂纹缺陷等。薄板 坯连铸还要求保护渣具有适宜的熔渣层厚度，防止高拉速时熔渣供应不足 以及固态渣粒的流入，同时还要具有良好的溶解、吸收夹杂物的能力，并 在吸收夹杂后其物性保持稳定。因此要配制适合于高拉速连铸用保护渣。 2 2 2 薄板坯连铸保护渣的特性 适用于拉速1 5 m m i n 左右的常规连铸保护渣难以满足拉速为 3 - 6 m r a i n 薄板坯连铸的要求。随着拉速的大幅度提高保护渣消耗量的急剧 下降，使起润滑和导热作用的渣膜呈现不均匀分布，甚至出现间断，其结 果会引起铸坯表面纵裂等缺陷，严重时还会出现穿钢及粘结漏钢事故。 良好的薄板坯连铸保护渣应具有在高拉速及拉速变化较大的情况下 仍能保持足够的渣耗的特征，合适的渣耗是保证铸坯有良好润滑和传热的 重要保证。它与铸坯表面质量密切相关，并且也是在高拉速下防止粘结性漏 钢的关键。因此，为了实现最佳操作性能和获得满意的产品质量，薄板坯 连铸保护渣必须具有如下特性： ( 1 ) 成渣速度快，能够及时补充液渣的快速消耗，在高速铸造或拉 速变化较大的情况，仍能维持足够的保护渣消耗量； ( 2 ) 结晶器壁与坯壳间的渣膜厚度适宜且分布均匀，防止坯壳与结 晶器壁直接接触，以降低摩擦力并使结晶器散热均匀化，防止裂纹的产生 及粘结漏钢，避免铸坯产生表面缺陷； ( 3 ) 足够的熔渣层厚度，防止高速连铸或拉速的较大波动时，熔渣 供应不足以及固体渣颗粒流入； ( 4 ) 稳定的操作性能，具有良好的溶解吸收夹杂物，改善钢液纯净 度的能力，同时不会由于液渣在结晶器内成分或温度变化呈现大的物理性 能波动； ( 5 ) 控制传热，对于易裂钢种，具有一定的析晶能力，增大热阻， 防止热流过大引起的坯壳不均造成应力集中； ( 6 ) 良好的绝热保温作用，防止结壳，减少弯月面渣圈的形成。 由此可见，为满足高速浇铸的需要，适用于薄板坯连铸的保护渣应具 有较低的粘度、较低的初晶析出温度、较低的软化及熔融温度、合适的碱 度以及较快熔化速度等特点 1 4 1 。 辽宁科技大学硕士论文第二二章文献综述 2 3 保护渣消耗量 2 3 1 保护渣消耗量概述 由于薄板坯表面积大，弯月面区域相对增加，阻碍了夹杂物的上浮， 需润滑的铸坯表面积也增加，从而使得保护渣消耗量要相应多些”。保护 渣的消耗量是进入坯壳和结晶器之间空隙的保护渣平均量的一个量度，是 评价润滑性能的指标，足够大的保护渣消耗量对于去除上浮到结晶器钢液 表面的夹杂物是非常重要的，液渣中夹杂物的含量会在注入结晶器内的钢 水中析出的夹杂物量与消耗的保护渣带走的夹杂物量之间达到平衡。 保护渣总耗量通常以吨钢每公斤( k g t ) 或铸坯表面每平方米公斤 ( k g m 2 ) 来表示。保护渣消耗量是渗入结晶器铸流缝隙保护渣平均量的度 量。一般而言，一般薄板坯连铸保护渣较为正常的消耗量吨钢为 o 3 0 7 k 一1 6 】。计算的与铸坯表面有关的耗量是0 3 o 6 k g m 2 。由于耗量与 铸坯尺寸有关且与铸坯表面成比例，所以铸坯表面所消耗的保护渣的重量 是评定润滑能力的一个更加合适的数字。 由于铸坯厚度薄，铸坯表面积增大，宽厚比增大，弯月面区域相对增 加，阻碍了夹杂物的上浮，需润滑的铸坯表面积增加，相应地对起润滑和 传热作用的液态保护渣的需求量也随之增大。薄板坯连铸机的拉坯速度大 大高于传统的厚板坯的拉坯速度，所以保护渣的消耗量也相应增多。在结晶 器中不仅要有足够的空间放置保护渣，而且还要求结晶器的上部能盛装一 定数量的钢液，即捌有足够的热量熔化保护渣，以提供拉坯时所需的润滑 剂。为了保证结晶器与铸坯之间得到充分润滑，必须使用能够与薄板坯连 铸相适应的结晶器保护渣。因此，薄板坯保护渣的重点突破应放在保证保 护渣消耗量上。 与此同时，由于随着浇注速度的增加，连铸保护渣的消耗量减少，容 易造成结晶器壁与凝固坯壳之间的润滑不充分、传热不均匀，进而导致粘 结性漏钢，尤其是在非稳态浇注时期。因此，为防止粘结性漏钢，必须深 入研究连铸保护渣的粘性特征，以满足在高速连铸条件下的结晶器内的充 分润滑与均匀传热，满足在高速连铸条件下消耗量的要求。 2 3 2 保护渣消耗量的影响因素 考虑到薄板坯连铸过程中要有充足的保护渣流入到坯壳与结晶器之 辽宁科技大学硕上论文第二章文献综述 间，以保证二者的充分润滑，防止粘结并控制热流变化，铸坯单位表面积 的保护渣消耗量更适宜评价保护渣的润滑能力。 在保护渣、浇注钢种和振动状况稳定的情况下，吨钢保护渣消耗量与 拉速的关系并不明显，但铸坯单位表面积的平均消耗量会随着表面积体积 的增加而急剧的下降，如图2 1 所示，五个点分别代表不同种类的板坯，其 中点a 代表板坯2 2 0 1 5 0 0 m m ，点b 、c 代表薄板坯l o o m m x l 0 0 0 m m 、 5 0 m m 1 3 0 0 m m ，点d 、e 小方坯1 6 0 r a m 1 6 0 r a m 、1 3 0 m m 1 3 0 m m 。就薄 板坯连铸而言，0 7 - 0 8 k g m2 的保护渣消耗量可以满足目前所能浇注的任 何钢种l i “。 袭耐飘笥棒朝托，r 图2 1表面积体积对各种断面尺寸的保护渣消耗量的影响 f i g2 1e v e r yd i m e n s i o n ss vh a v ee f f e c to i lt h ec o n s u m p t i o no ft h es l a g 薄板坯连铸保护渣消耗量的影响因素很多，如下表2 1 中所列出的即 为保护渣的理化性能、振动参数以及拉速等参数对消耗量的影响。 h；麟辖襄攀 辽宁科技大学硕士论文 第= 章文献综述 表2 1 保护渣消耗量的主要影响因素 t a b l e2 1t h em a yf a c t o re f f e c to n t h ec o n s u m p t i o no fs l a g 影i 晌因素对消耗量的影响 凝固温度 粘度 软化温度 拉速 粘度与拉速乘积 钢水过热度t 振动特性 凝固温度降低，渣耗量增加 粘度增加，渣耗量减少 软化温度升高，渣耗量减少 拉速高，渣耗量减少 1 v 。高，渣耗量减少 t 高，渣耗量增加 振频增加，耗量减少；非正弦振动渣耗量 高于正弦振动；正滑动时间对耗量的影响 高于负滑动时间 除了表2 1 中所列影响因素外，保护渣的各主要理化性能尤其是保护 渣的粘度、碱度、熔化温度、熔化速度和结晶温度对保护渣消耗量的影响 也是十分重要的。为了保证结晶器与铸坯之间得到充分润滑，必须使用能 够与薄板坯连铸相适应的结晶器保护渣。结晶器消耗量主要依赖于结晶器 的振动情况和结晶器保护渣的物理性能，特别是保护渣的粘度、熔化温度、 表面张力和结晶温度等物理性能。 2 4 薄板坯连铸保护渣主要理化指标对消耗量影响 2 4 ，1 粘度 为节约能源、降低成本，国内外钢铁企业普遍采用高速连铸技术。随 着浇注速度的提高，连铸保护渣消耗量减少，造成结晶器壁与凝固坯壳之 间的润滑不充分、传热不均匀，进而导致粘结性漏钢，尤其是在菲稳态浇 注时期。为防止粘结性漏钢，必须深入研究连铸保护渣的粘性特性，以满 足在高速连铸条件下的结晶器内的充分润滑与均匀传热 1 8 l 。 辽宁科技大学硕士论文 第一章文献综述 图2 2 粘度与保护渣消耗指数的关系 f i g2 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev i s c o s i t y a n dt h ec o n s u m p t i o no fs l a g 连铸保护渣的粘度是决定保护渣消耗量和均匀流入的重要性能之， 它对结晶器内发生的冶金行为包括液渣流入和消耗、润滑、夹杂物吸收等 产生重要影响。所以，为了确保保护渣在浇铸中的良好性能，就必须重视 其粘度特性及其机理研究d g l 。在行业中通常以13 0 0 c 时的粘度为衡量标 准，它直接关系到熔化的保护渣在弯月面区域的行为。从保护渣在13 0 0 时的粘度与消耗指数的影响关系( 见图2 2 ) ，可知保护渣的消耗指数随着 粘度的降低而增大，由于保护渣的消耗指数表征的是每立方米铸坯所消耗 的保护渣的量，因此保护渣的消耗量也随着粘度的降低而增大。保护渣粘 度过高，很难流入到钢水弯月面与结晶器壁之间，渣膜厚且渣耗低。薄板 坯在高拉速的条件下，会增大拉坯阻力，易发生粘结漏钢。为了改善铸坯 与结晶器之间的润滑，防止粘结漏钢，必须采用较低粘度的保护渣。同时 从产品质量考虑，粘度过高或过低都会影响结晶器内的传热，使铸坯产生 表面纵裂。 t a k e t o 的研究表明，随渣中s i 0 2 和a 1 2 0 3 含量的增加，保护渣粘度上 升，a 1 2 03 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 增加，粘度会急剧上升【20 1 。h o r s t a b r a t i s 的研 究认为，渣中a 1 2 0 3 的含量在2 以下时，熔渣粘度几乎无变化，但a 1 2 0 3 含量大于1 0 时，粘度急剧升高l2 1 1 。因此，对于薄板坯来说，为了适应高 辽宁科技火学硕j 二论文 第二二章文献综述 拉速的要求，保证足够的渣耗量，应采用a 1 2 0 3 含量较低、粘度较低的保 护渣。 就成分而言，s i 0 2 和a 1 2 0 3 是主要决定因素，除此之外下列物质对粘 度也有很大的影响【2 2 】： a 碱金属物：n a 2 0 ，k 2 0 ，l i 2 0 b 碱土金属氧化物：c a o ，b a o c 氟化物：c a f 2 ，n a f d 氧化硼：b 2 0 3 这些都作为熔剂，增大其含量，均可使保护渣粘度降低。 对于薄板坯连铸保护渣的消耗量来说，粘度是最重要的影响因素，它 决定于熔渣的化学成分和温度。在一定温度范围内，粘度和温度的关系服 从阿累尼乌斯公式 2 3 】： - q = a 。( e r t ) ( 2 1 ) 式中，a 一阿累尼乌斯常数； e 一粘性流体的活化能； r 气体常数； t 绝对温度。 另外，保护渣粘度的稳定性对于结晶器内的凝固行为是非常重要的。 保护渣在结晶器内温度及成分都会随浇铸时间发生变化2 4 娜1 。为了充分发 挥保护渣的功能，要求保护渣的粘度不会因为温度和成分的变化丽发生较 大波动，具有较高的稳定性。 2 4 2 碱度 碱度是保护渣的一个重要理化指标，也是粘度的一个重要影响因素， 它会改变保护渣的粘度和熔化温度2 6 1 。在_ 定范围r t , j 增大碱度，可明显降 低保护渣的粘度和熔化温度，从而增大渣耗。而且随着碱度的增加，粘度 越来越低，且熔化温度较高的保护渣比熔化温度较低的保护渣降低的幅度 要大些。 而山中启充等人【2 7 1 的研究结果表明，过高碱度的保护渣在促进析出结 晶相、析晶温度增加的同时，使结晶器与坯壳之间的摩擦力增大，产生粘 结漏钢。因此为了保证一定的保护渣消耗量，可通过适当提高碱度，有效 控制结晶器内的传热，减少裂纹的产生。由此可见，合适的碱度对于增大 辽宁科技丈学硕士论文第二章文献综述 渣耗和结晶器热流密度、减少粘钢倾向是有利的。 2 4 3 熔化温度 熔化温度直接影响结晶器内弯月面上方的渣层传热和熔渣层的产生， 与连铸保护渣的绝热保温性能和润滑性能密切相关 2 8 , 2 9 1 。某些连铸保护渣 的熔化温度只有9 0 0 ，有的则高达l3 0 0 。连铸保护渣的熔化温度对铸 坯在结晶器内的凝固速度有重要影响。熔化温度直接影响结晶器弯月面上 方的渣层传热和熔渣层的形成，与结晶器保护渣的绝热保温性能和润滑性 能密切相关，从图2 3 可以看出保护渣的熔化温度升高，其消耗指数减小 也即消耗量降低 3 0 1 。 4 皇 堂3 轻 糟 糕 磐 刿。 冬 送 l 1 0 4 01 0 8 01 1 2 01 1 6 0 熔化温度。 图2 3熔化温度与保护渣消耗指数的关系 f i g2 3r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em e l t i n gt e m p e r a t u r e a n dt h ec o n s u m p t i o no fs l a g 在连铸过程中，结晶器保护渣的熔化温度影响钢液面上熔渣层的厚 度，从而影响保护渣向结晶器和坯壳之间的流入量。保护渣熔化温度越高， 熔化速度越慢，消耗量越少。为了满足薄板坯连铸提高熔化速度、快速成 渣、保证渣耗的要求，结晶器保护渣的熔化温度控制比常规板坯连铸应低 些：根据不同的钢种，一般薄板坯连铸保护渣的熔化温度目标值在 9 5 0 1 1 2 0 。c 的范围。这样，不仅可以保证所需要的保护渣消耗量，使保护 渣在结晶器内弯月面保持熔融状态，而且使结晶器长度方向上的铸坯凝固 辽宁科技大学硕士论文第= 章文献综述 坯壳表面的渣膜处于粘滞的流动状态，可以避免出现固相，起到充分润滑 的作用。 2 4 4 表面张力与界面张力 熔渣的表面张力和钢渣界面张力是研究钢渣界面现象和界面反应的 重要参数。通常我们将钢渣界面的表面张力称为界面张力。它影响夹杂物 分离、夹杂物吸收、渣膜的润滑和铸坯的表面质量，是一项重要的冶金特 性。同类质点之间的聚合和其质点的内聚功( w 。) 有关f 3 1 】即： w 自= 2 0 ( 表面张力)( 2 2 ) 内聚功和物质的表面张力有关。当液渣的表面张力大时，能够使液渣 的表面积缩小，降低体系的总表面能。内聚功表征相同液体表面间的吸引 强度。 两相同质点之间的结合称为粘附，分开单位面积粘附所消耗的功为w 粘附。粘附功表征不同液体之间的吸引强度口2 】 w 粘射= ol + o2 一o1 ，2( 2 3 ) 式中。1 一钢液的表面张力； o2 一液渣的表面张力； ol ，2 液渣一钢液的界面张力。 粘附功愈大，界面张力愈小，则钢液与液渣就愈难分离；反之，则界 面张力愈大，钢液与液渣就愈易分离。液渣卷入钢液中的难易程度和w 自，* ， w # m 有关，当w 一。a ，愈大，w * m 愈小，则液渣不容易卷入钢液中。因 此，提高保护渣的表面张力及钢液界面张力可以减少裹渣。 保护渣要达到充分吸收夹杂物，本身又不被卷入钢液而留在钢锭内， 这取决于钢液夹杂物，夹杂物熔渣，熔渣一钢液界面上界面张力的大 小【3 引。液渣的表面张力和金渣的界面张力决定了液渣润湿钢的能力，润 湿性越好，摩擦力越少，对消耗量的增加有所帮助。一般来说，连铸保护 渣的表面张力要求不大于3 5 0 1 0 - 3 n m 。 钢液的表面张力与弯月面性质相关，钢液表面张力越大，弯月面的弹 性薄膜功能愈强，对初生坯壳的形成和表面质量愈有利；并且表面张力越 大，钢渣润湿角也大，即使由于外界因素的干扰使弯月面破损，形成钢渣 直接接触，但因两者不润湿，夹渣的可能性较小，弯月面容易恢复，可重 新形成钢渣的分界。结晶器液面有保护渣层覆盖时结晶器中钢液弯月面半 辽宁科技大学倾士论文第二章文献综述 径与表面张力和界面张力的关系为3 4 ： r 。= 5 4 3 l o 。( o 。一s p 。- p s ) “2( 2 4 ) i j m _ s = ( j r n - i j sc o s 0 ( 2 5 ) 式中，r 。为弯月面半径；6 。为金一渣界面张力；a m 、6 。为钢、渣表 面张力；0 为涧湿角；pm 、p 。为钢、渣密度。 若r 。大，弯月面凝固壳受钢水静压力作用贴向结晶器壁就越容易，润 滑良好，坯壳裂纹也就难于发生：若r 。小，就会破坏弯月面的薄膜弹性 性能，铸坯易于发生裂纹、夹渣等表面缺陷。 保护渣的基本成分包括：s i 0 2 、c a o 、m g o 、a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 、m n o 、 k 2 0 、n a 2 0 、l i 2 0 、b 2 0 5 、f 一、c ，其表面张力可按下式计算： a = l j i x i( 2 6 ) 式中吼一组分的表面张力，n m 。 因此，保护渣的表面张力和组分中氧化物及其摩尔数有关，而氧化物 的表面张力和其内部离子键能有关。氧化物的表面主要为o2 。所占有，因 为0 2 的半径比阳离子半径大，所以在形成熔体时，氧化物表面张力的变 化主要决定于表面0 2 。与邻近阳离子的作用力。根据这种理论将保护渣影 响表面张力的成分分成以下几类： ( 1 ) 复合阴离子：s i 0 2 、f e 2 0 3 、b 2 0 5 中的阳离子静电势大，和o 2 。 能形成静电势较小的复合阴离子团，容易被排挤到表面上，降低保护渣表 面张力； ( 2 ) n a z o 、k 2 0 、l i 2 0 的阳离子静电势较小，对o 。的吸引力小，因 而表面张力也很小： ( 3 ) c a o 、m g o 的阳离子静电势较大，对o 2 的吸引力大，因而表面 张力也很大。m n o 、f e o 、a1 2 0 3 的阳离子和c a o 、m g o 的阳离子静电势 差不多，表面张力也相近； ( 4 ) f 一比0 2 。有更小的静电势，能够排斥0 2 一到表层，因而能大大降低 保护渣的表面张力。 界面张力一般是指两种互不相溶的相之间的表面张力，但如果两相之 间有互溶的组分，则可大大降低两相之间的界面张力。根据这原理，渣 中所含f e 2 0 3 、f e o 、m n o 能在钢液中存在，使渣液与钢液之间的界面结 构趋于相近，降低了表面质点的不对称性，也使渣钢界面张力大大减弱。 而渣中c a o 、m g o 、a 1 2 0 3 在钢液中的溶解度极低，增加渣钢之间的界面 张力。另外，渣中的c a f 和钢液中的氧、硫等表面活性强的组分能大幅度 辽宁科技火学硕i ：论文第二章文献综述 降低表面张力。 2 4 5 熔化速度 薄板坯连铸过程中随着拉速的提高保护渣消耗量降低，继而产生一系 列的不良后果。良好的薄板坯连铸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渣耗的特征。适当加快保护渣的熔化速度，可使消 耗量增大，从而满足薄板坯连铸过程中有足够渣耗的要求。 结晶器高速浇注保护渣的主要作用是在坯壳和结晶壁之间提供润滑。 结晶器保护渣的熔化速率对于熔融的结晶器保护渣流进坯壳与结晶器壁 间缝隙的能力非常重要。控制连铸保护渣熔化速度的目的是为了保持钢水 液面上保护渣粉末层的稳定性。保护渣的熔化速度应与其消耗量平衡，保 护渣熔化速度过快将导致钢水液面上保护渣熔融层和烧结层变厚，粉末层 保持不住，保护渣在结晶器内结团等不利情况；而保护渣熔化速度过慢会导 致熔融层变薄。因此，适当的保护渣熔化速度是保证钢水液面上保护渣正 常层状结构的重要因素。 目前，连铸保护渣的熔化速度主要是用碳来调节。碳的种类、加入量、 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。除此之外， 保护渣在结晶器中的熔化速度还与渣料的组成及熔化温度有关。组成中熔 点低的组分先熔化，熔点高的组分后熔化，这种熔化顺序不同的现象称为 “分熔倾向”。“分熔倾向”影响了熔渣层的均匀性，也影响到保护渣的粘 度及减弱其吸收夹杂物的能力，进而影响保护渣的消耗量。 由此看来，用于薄板坯连铸的保护渣应具有较快的熔化速度，以保持 足够的熔渣层厚度，满足渣膜消耗的需要。但是目前还没有一个可靠的方 法来测量渣膜的厚度，人们只能用保护渣的消耗量来衡量其熔化