薄板坯连铸结晶器保护渣技术.doc

薄板坯连铸结晶器保护渣技术摘要 综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的保护渣发展现状，阐述了薄板坯连铸保护渣物理性能及冶金特性，分析了化学成分的影响，提出了薄板坯连铸结晶器保护渣应用中的问题。高拉速薄板坯连铸保护渣与常规板坯连铸保护渣在物理性能上有较大差异，通过对保护渣物理性能，熔化特性的研究，确定了适合高拉速薄板坯低碳钢连铸用保护渣的物化指标。关键词薄板坯连铸 结晶器保护渣 保护渣 冶金特性 化学成分ABSTRACT The characteristics of the thin slab casting and development of the mold flux for the thin slab casting purpose are reviewed, and the physical properties and metallurgical characters of the mold flux the thin slab casting elucidated and effects of chemical compositions of the flux on the properties analyed, and problems in use put forward. Compared with mold powder for common slab continuous casting, the mold power for thin slab continuous casting is quite different in physical properties, Based on the study of physical and chemical properties and melting properties of mold power, the optimum physical and chemical indexes of mold power were determined for low carbon steel high speed thin slab continuous casting.KEY WORDS thin slab continuous casting, mold power, mold flux, metallurgical characters, chemical composition薄板坯连铸与常规板坯连铸的设计和工艺上最大区别是结晶器形状及震动方式，侵入式水口的设计和薄板坯连铸结晶器保护渣的物理性能及化学成分的优化三项关键技术。分析薄板坯连铸工艺，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结晶器保护渣技术密不可分的。因此，结晶器保护渣技术作为薄板坯连铸技术的重要组成部分，必须下大力量进行开发研究，使之符合薄板坯连铸工艺要求。薄板坯连铸由于结晶器内熔池小而拉坯速度高，射流强度大造成结晶器内钢液循环加剧和液面扰动，容易出现液面卷渣和初生凝固坯壳不均匀形成，使薄板坯表面不轨测地出现粘渣和裂纹，从而影响轧板的表面质量，这主要与结晶器的内腔形状以及与之相关适应的伸入式水口结构和保护渣的选择有关。因此，对薄板坯连铸结晶器内腔形状的设计，伸入式水口结构尺寸和适应高拉速下的结晶器保护渣的研究，是实现薄板坯连铸工艺的重要前提，由此构成了保南坯连铸的三个关键技术课题。对薄板坯连铸而言，润滑和均匀传热的重要性更为突出1。薄板坯连铸技术的特点及结晶器保护渣的要求与常规板坯连铸相比，薄板坯连铸面临的浇筑条件有明显的区别，给改善铸坯质量和稳定连铸操作带来一系列的困难。薄板坯连铸所呈现的每一个技术特点及造成的影响，均与结晶器保护渣有直接的关系。接近凝固点温度时钢中含碳量与机械性能的关系的研究表明2。为了实现最佳操作性能和获得满意的产品质量，薄板坯连铸结晶器保护渣必须满足如下条件；（1） 成渣速度快，能够及时补充液渣的快速消耗，在高速浇铸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，防止裂纹的产生纪粘性漏钢，避免铸坯产生表面缺陷。（3） 足够的熔渣层厚度，防止告诉连铸或拉速较大波动时，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，防止热流过大造成应力集中。（6） 良好的绝热保温作用，防止钢液飘浮，结壳，减少弯月面渣圈的形成。薄板坯连铸技术的特点特点影响（1） 拉坯速度快（36 m/min）单位时间内注入结晶器内钢液量大，结晶器内钢液搅拌比较强烈，液面稳定性差，容易引起铸坯表面和皮下夹渣裂纹的产生，同时，结晶器内钢液面上熔渣厚度难以保持均匀：在拉速很快时，出结晶器坯壳厚度薄，如拉坯阻力过大，铸坯易出现横裂。（2） 铸坯厚度薄（4060mm或7090mm）在同等拉速条件下，结晶器热流大，产生纵裂的倾向增大，而且侵入式水口形状受到限制，易造成钢水液面“搭桥”以及结晶器壁各处温度分布不均匀和流股强烈冲刷，使凝固坯壳不均匀，易产生裂纹：结晶器内钢水表面积小，熔渣吸附夹杂物机会小。（3） 结晶器冷却强度高钢液凝固速度快，结晶器液面温度低，保护渣更容易形成渣圈并聚集或从钢水吸热而造成液面结壳，铸坯产生表面和皮下夹渣以及皱皮等缺陷：而且，冷却速度快，结晶器热流密度大，一旦导热不均匀，铸坯会产生裂纹。（4） 表面积/体积大浇铸的铸坯中的夹杂物更接近表面：由于连铸薄板坯表面积大，弯月面区域相对增加，阻加了夹杂物的上浮：需润滑的铸坯表面积也增加，因此，保护渣消耗量要相应多些：与结晶器壁接触面积大，钢液散热快。温度下降快，容易造成钢液面结壳。（5） 拉速变化范围宽，幅度大拉速波动，容易使铸坯产生夹渣和漏钢：要求保证单位时间内的保护渣供应，否则会使润滑或传热不均匀，造成铸坯表面缺陷。薄板坯连铸结晶器保护渣的物理性能及冶金特性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。据文献3介绍，结晶器保护渣消耗量及结晶器与凝固铸坯之间的流体摩擦力主要依赖于结晶器振荡和结晶器保护渣的物理性能，特别是保护渣的粘度，熔化温度和结晶温度。粘度粘度是决定保护渣消耗量和均匀流入的重要性能之一，它直接关系到熔化的保护渣在月弯面区域的行为。液渣在弯月面流入过程中，靠近结晶器铜板一侧形成固渣层，而坯壳一侧仍为液态。液渣层于坯壳间接触较好，界面热阻相对较小，而固渣层与结晶器铜板间存在接触气隙，通常厚达2050m，界面热阻约占总热阻的70%4。保护渣粘度高，很难流入到钢水弯月面与结晶器壁之间。薄板坯连铸在高拉速条件下，为了增加传热，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。在常规板坯连铸的拉坯速度时，满足Vc=0.10.35（为熔渣粘度，Vc为拉坯速度）条件下得到的结晶器导热量及渣膜厚度的变化达最低值3。对于薄板坯连铸，Vc=0.20.3，以适应高速连铸对液体渣流入的苛刻要求。熔化温度熔化温度直接影响结晶器月弯面上方的渣层传热和熔渣层的产生，与结晶器保护渣的绝热保温性能和润滑性能密切相关。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。结晶器与坯壳间隙内的平均渣膜厚度随保护渣熔化温度的减小而增大的结果。实验证明，保护渣熔化温度越高，熔化速度越慢。为了满足薄板坯连铸提高熔化速度，快速成渣的要求，结晶器保护渣的熔化温度控制比常规板坯连铸应低一些：同时，为了减少渣圈的形成，应尽量提高熔化温度。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9501120的范围。这样，不仅可以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。结晶器保护渣作为复杂的多元系物质，熔化表现为区间，熔化区间的大小关系到结晶器保护渣的熔化结构，渣圈状态及熔化快慢。在设计保护渣熔化温度是熔化区间范围是必须考虑的因素。熔化区间范围大，由于保护渣在冷却过程中熔渣开始析出固相到完全凝固的温度范围是其逆过程，可以使结晶器与坯壳之间的渣膜在更大的温度区间具有可流动性的性能，而且热稳定性强。研究认为，熔化区间的温度范围约100较为理想。应指出的事，当皮可与结晶器间隙中存在的保护渣位固体渣膜时，会减弱坯壳向结晶器热的传递，因此渣膜厚度可达到控制结晶器热流的目的。研究表明，高熔化温度的保护渣，结晶器热流小，地融化温度的结晶器保护渣热流大。对于中碳钢（W（C）=0.08%0.16%），由于浇铸过程容易产生裂纹，虚控制结晶器的热流。提高保护渣熔化温度，对于裂纹敏感性弱的低碳铝镇静钢则可以进一步降低熔化温度在990以下。结晶温度结晶温度是控制结晶器和铸坯之间传热与润滑的重要参数。在薄板坯连铸过程中，结晶器和铸坯相对于运动快，使用高结晶温度的保护渣，由于晶体析出而存在液固共存区，不仅增大固体渣膜与结晶器接触的摩擦力，而且使液面渣膜的剪切力增大，对渣膜的润滑性能又跟大的破坏作用，造成漏钢的可能增加。因此，薄板坯连铸保护渣采用降低结晶器温度来增加液渣膜的厚度，从而达到增加保护渣消耗量，改善润滑性能减少摩擦力的目的。由于冷凝析晶还会使渣圈发展，降低结晶温度也有利于减少渣圈。薄板坯连铸低碳镇静钢时，由于保护渣的结晶特性对粘结漏钢产生较大影响，要求采用地结晶温度的保护渣，在950以上处于非晶体状态。浇注中碳钢时，采用较高结晶温度的保护渣以防止铸坯纵裂纹发生。保护渣的结晶温度直接影响传热速率，它们之间呈反比关系，而低的传热速率使铸坯纵向裂纹指数降低。此外，薄板坯连铸过程对结晶器保护渣溶解吸收夹杂物的能力，熔渣的界面性质以及保护渣熔化的均匀性也有一定的要求，以保证保护渣的润滑作用及改善薄板坯的质量。薄板坯连铸保护渣的化学成分对物理性能的影响传统板坯连铸保护渣，基本是采用CaF2,Na2O等助熔剂来降低保护渣粘度的熔化温度。CaF2为网链结构限制体5，F-半径（1.31）与O2-（1.38 ）相近，在四面体形链SiO网状结构中，F_能轻易地置换，O2-从而破坏网结构。因此，熔渣中适量F-可以促使SiO聚合体解体，减小粘度，降低熔化温度。同时，CaF2可以促进连铸保护渣析出结晶相，提高结晶温度。当CaF2质量分数过高时，会引起枪晶石（3CaO2SiO2CaF2）和钙铝黄长石（2CaOAl2O3SiO2）等高熔点物质的析出，破坏熔渣的玻璃性，使润滑条件恶化。另外F_含量高，还会对水口造成严重侵蚀。Na2O熔点较低（920），属于网链结构限制体，Na+和O2-均可以破坏硅酸盐网链结构，在保护渣中起到降低熔化温度和熔渣粘度的作用。随着Na2O的质量分数增加，保护渣结晶温度升高。当加入量过多时，会析出霞石（Na2OAl2O32SiO2），对润滑造成不良影响，应限制其加入量（10%）。CaO为网链结构限制体，SiO2为网链结构形成体3，在一定范围内增大CaO/SiO2，可以明显降低保护渣粘度和熔化温度，对吸收氧化物夹杂也有利。高速度的保护渣可提高溶解吸收夹杂物的速度。增大CaO/SiO2，还可以促进连铸保护渣析出结晶相，提高结晶温度。而且碱性渣的粘度随温度变化较大，当冷却到液相线温度时，由于结晶能力强，不断析出晶体，严重破坏保护渣的玻璃性。随着CaO/SiO2的提高，晶体析出温度增加，结晶化倾向增大。根据前面的分析，使用结晶温度高，结晶率大的保护渣，会使结晶器与坯壳间的摩擦力增大，穿钢发生率增加。降低保护渣基料的熔化温度和粘度，减少驻熔剂的加入量，对于抑制结晶化倾向，防止穿钢是有效的措施。从不同化学成分的保护渣对其粘度，熔化温度和结晶温度的考虑结果知道，Li2O对降低熔渣的粘度，软化及初晶析出温度，提高熔渣的流动性有明显作用。以Na2O和Li2O对粘度的影响为例，一般来说，Na2O的质量分数在020%的范围内变化，对粘度的影响不大：但是对于Li2O，在010%内变化，对粘度的影响均很大。保护渣中加入少量的Li2O就会改善保护渣的物理性能，因此，为了提高保护渣的润滑性能并避免高熔点晶体的析出，Li2O是最理想的助熔剂。薄板坯连铸保护渣的作用薄板坯连铸过程中，通常使用两种结晶器保护渣：发热型开浇保护渣和稳定状态浇铸用球状颗粒保护渣。含Li2O的薄板坯连铸保护渣的化学成分和主要物理性质类型CaO/SiO2WB/%（1300/Pas）凝固点/熔点/Al2O3R2OF-A0.935.314.57.80.08980980B0.823.311.67.30.101020950C0.985.09.511.10.1110601080D1.072.415.29.80.0510001080开浇保护渣薄板坯连铸结晶器液面窄，面积小，开浇初期结晶器内呈现紊流状态，为防止吸热而造成钢液面结壳影响浇铸，要求保护渣加入后立即对薄板坯提供润滑，并防止钢水的二次氧化。开浇保护渣一般仅在浇注开始23m/min内加入0.30.5kg。在浇注过程中，保护渣具有五方面的冶金作用67。其中，控制凝固过程的传热是主要作用之一。典型开浇保护渣的化学成分及性能WB/%熔化期Si2OFe2O3CaOAl2O3F-Na2O游离C度/ Pas42.515.535.54.211.09.01.011000.09球状颗粒保护渣在结晶器内处于正常状态的稳定浇铸期，为满足薄板坯连铸36m/min的高拉速要求，低熔点，低粘度，流动性强，熔化均匀的球状颗粒保护渣成为薄板坯连铸的首选。由于球状颗粒保护渣能够提高润滑性能，改善铸坯质量，并且有利于环境清洁，预期在将来很长一段时间球状颗粒保护渣还会继续发展。生产实践已经表明，虽然正确地选择了结晶器保护渣，如果不能正确地使用，同样对薄板坯连铸过程和铸坯质量造成不良影响。保护渣消耗量保护渣消耗粮食评价润滑性能的指标，足够大的保护渣消耗量对于去处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之间达到平衡。而夹杂物含量与钢水量是相关的。一般薄板坯连铸较为正常的消耗量吨钢为0.30.7kg。由于薄板坯连铸拉速快，夹杂物从钢液析出的时间短，结晶器内钢水表面积小，熔渣吸附夹杂物的机会也较少，同时弯月面区域的相对增加也阻碍了夹杂物的上浮。因此，薄板坯连铸结晶器保护渣中聚集的Ai2O3的量少，一般不大于1%。这意味着薄板坯连铸过程中结晶器保护渣对钢水的净化能力小。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。浇注钢种和振荡状况稳定的情况下。吨钢保护渣消耗量与拉速的关系不明显，但铸坯单位表面积的平均消耗量会随着表面积/提及的增加而急剧下降。就薄板坯连铸而言，0.070.08kg/m2的保护渣消耗量可以满足目前所能浇注的任何钢种。液渣层厚度保护渣一般呈三层结构：固渣层，烧结层和液渣层。液渣层厚度是保护渣的实际熔化速度与消耗速度平衡的结果。薄板坯连铸过程中液渣流动的阻力相对较小，实际的熔化速度与消耗速度建立的平衡是薄板坯连铸结晶器保护渣呈现较薄的液渣面。很显然，在薄板坯连铸过程中，液渣层厚度很薄，只有2mm左右，特别是靠近窄边的液面波动产生的波峰区域只有1mm一下。但实际生产结果表明，有足够的液态保护渣填充到铸坯和结晶器之间。覆盖层厚度正常浇注情况下，结晶器内保护渣应该保持一定的厚度。以保证保护渣在结晶器内的均匀熔化和液渣层稳定，使保护渣的渗透作用是中得以维持，同时起到绝热保湿的作用，使结晶器弯月面区域处于较高的温度，从而改善渣圈的形成状况，降低振痕的严重程度，减少铸坯的表面缺陷。对于薄板坯连铸，如果保持液面平稳，保护渣覆盖层厚度最小要保证6.35mm。但是，水力学模型试验已经证实，在薄板坯连铸高速铸造情况下，结晶器内的钢液面呈波浪形状，在窄面附近有两个波峰，波峰高度随拉速提高钢水流量增大而增大，在长时间稳态浇注期间波峰持续存在。在实际生产中，可以看到结晶器内有两个熔融区，熔融区将消耗更多的保护渣。为保证薄板坯连铸保护渣良好的铺展性，润滑性能和绝热保湿作用，通常需要在薄板坯连铸结晶器上方覆盖150200mm厚度的保护渣。保护渣操作在正常浇注情况下，禁止搅动结晶器钢液面，轻微结渣圈时，只要不继续长大不要经常去挑和搅动。结晶器液面发生波动时，出现结晶器壁挂