结晶器保护渣的性能和特性汇总

1、结晶器保护渣的性能和特性1简介在连铸生产中结晶器保护渣起着主要作用。保护渣从结晶器顶部加入，向下 移 动逐步形成烧结层，熔融层和液渣层（见图1）0液渣渗入结晶器涮板M止 之间，润 滑坯壳。但是，大部分的液渣进入铜板与坯壳之间后，遇水冷结晶器铜板凝结并形成 玻璃状的固态渣膜（大约2毫米厚）。薄液渣膜（大约0.1毫米厚）与坯壳一起移动 并为其提供液态润滑。同时，玻璃渣也可部分结晶。一般认为固渣膜附在结晶器壁上， 或者如果移动，一定比坯壳的速度慢得多。结晶器振动防止坯壳粘结在结晶器上。同 渣膜的厚度和特性决定水平热传递。总之，液渣股控制润滑，固渣膜控制水平热传递。图1：结晶器内形成的各种渣层股认为液

2、渣层”度应超过振幅,才能保证保护渣渗透良好（如坯壳的润滑）， 一般建议采用厚度10毫米。液二弓鱼影响渗入结晶器铜板与坯壳之1卞的液渣量 和从钢水进到液渣中的夹杂物数量。连铸生产中保护渣有下列功能：1）防止弯厂面钢水被氧化2）保温，防止弯月面钢水表面凝结3）提供液渣润滑坯壳4）对浇铸钢种提供最佳水平热传递5）吸附钢水中的夹杂物所有上述功能都很重要，但在日常生产中最重要的润滑和水平热传递。影响 保 护渣性能的基本因素如下：浇铸条件（拉速，Vc,振动特性）钢种和结晶器尺寸结晶器液位控制（可导致 损爪等）钢流，其紊动可导致多种问题，如气泡和夹渣山此可见，要有效执行上述工作需要优化保护渣的物理性能。结晶

3、器保护渣的构成如下：70% （CaO+SiO：） ,0-6%Mg0, 2-6%Al 0s, 2-10%Na： 0 （+K： 0） , 0-10%F 带有其他添加物，如 Ti0 , ZrO： , B 0 , Li=0 和MnO。碱度（CaO/%SiO2）范围为0. 7-1. 3。碳以焦碳，碳黑和石墨方式加入 （2-20%） , 1）可控制保护淹的熔化速度,2）可在结晶器上部形成CO （g），防止钢 水氧化。碳以固定碳方式存在保护渣中，因而可防止保护渣结块,直到最后氧化 掉。这是控制保护渣熔化速率的机理。结晶器保护渣的性能和功能润滑和保护渣消耗液态结晶器保护渣可润滑铸坯。如果保护渣完全在结晶器下部

4、结晶，就失去了 液态润滑，就会发生许多问题（如龟裂）。因而铸坯润滑很重要。公式（1）中液体 摩擦力为几，讥是结晶器速度，A是结晶器的面积。由此可见摩擦力减小，粘度n减 小，液渣膜厚度di增加。FFAn （Vs-Vo）/ dx（1）山于到角部的距离增加，摩擦力增加，因而保护渣消耗量Q：提供一种测量润 滑的方法，主要取决于结晶器的大小。板坯中的摩擦力大方坯摩擦力方坯摩擦力， 并随钢水的粘度增加而增加。保护渣消耗量Q一般按公斤/屯钢计算。采用公式（2） 将Q转化为Q,保护渣公斤/nf （结晶器）。Q. = f* Qt 76/R= d.P（2）。表示保护渣产生的液渣的粒度级，P是液渣的密度，R是（结晶

5、器表面积），并 给2 （w+t） /wt, w和t是结晶器的厚度。摩擦力随到角部的距离增加而增加，因此 板坯需要的润滑（如较高的Q） 大方坯方坯。根据报告，保护渣消耗量不适宜，将导致各种铸坯缺陷和问题，如下：1）纵裂，2）粘结漏钢（总是与缺乏润滑有关），3）深度振痕，4）横角裂，5）三角区裂纹6）形成凹坑。保护渣的消耗与多种影响人I索有关。大多数人认为主要影响有两种：1）用于润滑 结晶器，Q泅，2）境补振痕4。采用三种数学模型，计算Qs,但近来显示，常常过 高估II-7 Qon的数量。伊托亚玛在报告中说，下列因素对也具有影响力：1）结晶器 钢液面的液渣厚度,2）间隙（结晶器铜板和铸坯）间的流入

6、量，3）结晶器振动提 高。通过计算各种浇注参数（拉速，保护渣粘度等）得出的Q,提出经验值。近来， Q：的工厂数据统计分析显示下列参数具有统计价值，如粘度，拉速，振动频率f 和振幅以及熔化温度（嚣，见第5. 2章）或凝固温度（0）。根据结晶器保护渣特点，保护渣消耗量随保护渣粘度和熔化温度降低而增加。熔化速率（MJ必须满足液渣顷保护渣消耗）的需要。主要山以下因素控制:1）自曲碳的数量，2）碳颗粒的大小。可用公式（3）计算熔化速率。%Cf二-0. 016 张 +15. 41（3）保护渣在水平方向的热传递q窗水平传热是一个复杂工艺，包含两个原理，如对流传导系数人和幅射传导系数也 辐射传导性包括辐射能的

7、吸收和再散发，并成为高温下透明材料的主要传导机制。采 用公式（4）计算辐射传导力，光学厚条件（定义为ad3） , ci二吸收 系数，d二厚 度，。6二斯蒂芬一波尔姿曼常数，n二折射指数（一般大约为1.60）。 T是热力学 温度（K）。Ka=16 6n2 T3/3a（4）但是，在渣层中出现下列物质，么会大大降低：散射 放射的细晶体（消光系数，E二a+S, S是驱散系数，E应用于固体） 吸收放射的过渡钢水氧化物，如FeO在板坯浇铸过程中，估计热传递穿过渣层形成Kp=10-30%K?-：3,但是在方坯浇铸 中采用高粘度保护渣形成玻璃状渣层则更有效。坯壳和结晶器间的热传递的总阻力肌皿是一系列阻力，如图

8、2和公式（5）所示。二+ （d/k）严（d/k） B1+ （d/k） s（5）图2：影响水平热传递的热阻力简图日1是界面阻力，下标1, gl和cry分别表示液体层，玻璃层和结晶层。可将放射传导力考虑为平行阻力。公式（5）中影响的最大因素是和2）固渣膜的厚度,如dfdfcU界面阻力Rew将随1）固态渣层厚度d同和2）玻璃态（图3）的增大而增加, 其大小约为5xl （Tin： KW。增大的玻璃态对日。心的影响可理解为收缩。、1玻酬 态粘度增加（PsPj时易形成气隙（或表面粗糙）。图3：浇铸中碳钢（MC）和低碳钢（LC）时结晶器保护渣和玻璃态对界面阻力的 影向因此，影响保护渣水平传热最重要的参数是固

9、态渣层厚度（dw）和渣层中生 成的玻璃态渣膜白分比。其他相关参数如凝固和液相的热传导系数，吸收系数，消光 系数和折射系数。绝热保温（垂直方向的传热）保护渣层必须提供足够的绝热保温效果，防止结卅忌衣而结冷钢。减少垂直 （QA），对减少振痕深度和减少铸坯表面针孔气泡部很重要（图4）。绝热取决于 渣层的特性，但是总的来说，在下列情况下，绝热增加：1）特殊保护渣突出的颗粒球形颗粒2）减小颗粒尺寸3）增加渣层用度4）添加发热剂，如Ca/Si图4：右侧表示被弯月面捕获的一个气泡，左侧表示当弯月面长度缩小后，气泡是 如何上升的。吸附夹杂物吸附夹杂物非常重要，因为钢水的机械性能取决于例水中夹余物的数量和大小。

10、吸附过程包括以下步骤：1）将夹杂物传递到渣/钢水界面2）满足所需界面要求进入渣层3）通过液渣层分离夹杂，4）从界面分离夹杂物通过以下措施可提高夹杂物分离：1）夹杂，增大钢水和渣之间的接触角度（报 告种提到，对于18/8不锈钢/夹杂/渣系统，A1Q的接触角为E30。，TiN的为 160。； 2）湿润夹杂物（大多数夹杂物由渣湿润）。通过（C.-O差值提高分离度，如渣中的饱和浓度和实际浓度之差。因此 如果Cm 较高对分离有帮助。（对于A1O, Cw的钙值为40%，Ti0 10%, ZrO：为2%, TiN为0.5%。）浇铸不锈钢中的问题与渣芯中有大量的未溶解的固体TiN或CdTiOs有 关，同时也大

11、大增加了粘度。钢水的紊流结晶器中的钢流对连铸工艺有重要影响。紊动的钢流可形成立波（不流动 波）（见图5）。钢水的紊动导致相关的渣层的波动，可能导致下列问题：使板材衣丽产工夹渣和气泡城陷特别在浇铸超低q （ulc）时，使勤水增碳水口侵蚀，特别在钢水/渣界面球形颗粒渣沿紊动波移动，降低绝热性能，因而绡讣钢水表面结）令钢紊流产生的主要原因如下：1）浸入式水口 （SEN）插入深度2）SEN孔的设计3）氨气流量尽管如此，常常采用结晶器保护渣来补偿紊流产生的影响，一般用高粘度保护 渣。但可能导致保护渣消耗量减少，引起上述的其他问题。缺陷和工艺问题纵裂和角部纵裂纹纵裂是一个严重的问题，特别常见于中碳钢（MC

12、）。当5-Fe和奥氏体相的热 收缩系数相差4%时会产生这个问题。奥氏体相可增大张力，张力通过纵裂缓解。 尽量保持坯壳薄且均匀可使张力最小化。通过采用较大晶体结构的厚渣层，减低水 平热传递可达到该目标。采用高凝固点或高熔化k的保护渣了 J得到乎渣层。 粘结漏钢产生粘结漏钢的原因有多种，砒I;与润滑不良仃关。高碳钢OO. 4%C）易于产 生粘结漏钢。原因是奥氏体颗粒间的铁素体微偏析加强，使鼎近弯月面的坯壳抗拉 力较小。收缩形成假弯月面，从而产生粘结漏钢。据报告发生粘结漏钢的原因如下：1）碳结块被挤到结晶器边缘2）碳在结块中扩散形成富碳、低熔化，坯壳不能凝同3）结块阻碍渣流进入结晶器/铸流通路富碳结

13、块的来源如下：1）未熔解的结晶器保护渣附在渣边缘2）富碳层浮在渣芯上部3）A1Q结块上的铁水静爪撕开SEN和塞棒部分众所周知玻璃渣有利于减少粘结漏钢。尽管粘结漏钢与缺少润滑有关，但常采用 的策略是通过增加水平热保护渣形成较厚和结实的坯壳使漏钢最小化。采用薄玻璃 状渣层可达到此。标，例如，反Z川减少纵裂。采用低凝固点或低中断温 度的保护 渣可形成薄渣层。振痕和横向裂纹振痕在铸坯表面有规则的分布，它是在结品器钢液面水平缺口（爪凹痕）产 生，必须经打磨才能除去。振痕（0H）分两种：钩形或溢流型正&（7是钢水溢过新形成的初生坯壳形成的;凝固的坯壳向上、 向内生长（远离结晶器），钢水溢进初生坯壳形成振痕

14、。凹坑或折叠型是由坯壳（如钩状）弯曲形成的，但没有溢流，初生坯壳向后弯 曲，向结晶器方向生长，在钝坯表面形成堤状。由于微偏析，在堤的凹陷部位？ 以。边缘有重要作用，可以使小铜板的间隙变窄，从而堆钢水静压力。图6：振痕形成原理，见左边钩的形成和右边的凹坑横裂与较深振痕的形成有关。影响振痕深度主要因素是振动特性，但渣层中的 压力也是一个重要因素，据报导其再粘度4的关系起着决定性作）II。因此谨慎挑选 粘度可以降低压力和d0O。减小dflO的两种方法如下：通过降低垂直传热，减小弯月面初生坯壳的大小通过增加水平方向传热，增大坯壳厚度，增强坯壳张力气泡和夹渣气泡和夹渣主要产生于钢水紊动。图7为夹渣形成机

15、理。气泡的形成机理与其类 同。减少气泡和夹渣的方法是减少钢流紊动（如调节SEN捕入深皮和孔数设计，减 少氢气流量或通过电磁制动降低钢流速度，带冏形的吐出孔或弯）J）。实际上，常 常采用增加保护渣粘度来处理，但会导致保护渣消耗量降低。应出指出的是更有效地 处理气泡和夹渣的办法是增加钢水和保护渣之间的界面张力。图7：高拉速下夹渣形 成的机理保护渣特性粘度n保护渣粘度（或流动性二l/n ）是影响保护渣性能的最重要因素，原因如下：决定了保护渣消耗量和坯壳的润滑情况可通过增大渣粘度处理夹渣SEN的侵蚀率与流动性成比例可能出现下列情况，与振痕深度有关的结晶器/坯壳间隙的任力达到最大 值，通过选择粘度可使九

16、最小化。一般引用1300*0时的保护渣粘度，因为这代表液渣层的平均温度。粘度洲吐可 讣度7jca. 10%,但若采用石墨成分（如测锤和W）,粘度计的误差会高一点。但是，不 精确的另一个主要原因是在注满堆t屏和测量过程中F兀索会损失，这都取决于所采用 的程序。佼少采川测加化学分析。有些模型可通过化学成分估计粘度。大多数模型的操作显示伊达模型在所有进 行结晶器保护渣的测试中性能最好，不精确度为25%。熔化温度、凝固点温度和液相线温度（九,T沁GQ滋狗线温度是保护渣最终熔化时的温度，并在加热周期DTA/DSC运行中或 Leitz显微镜测试中测得。Th，的重要性是它决定渣层中液渣层和烧结层之间的界 面

17、。根据下列公式测估为35C：TiiQ （C ）= 1191+ 11. 4%SiO.-U. 0%Ca0 +4. 2%Al: 03+5. 7%Mg0-10. l%Na: 0-15. 8%K： 0 +1. 9%F + 8. 3%Fe.O3 +11. 6%MnO（6）凝觇皮温度是液态保护渣遇冷开始凝固（或结晶）时的温度；一般通过DTA/DSC 或热电偶方式测得。肯姆在报告中提到凝固温度可以通过下列公式计算 得出：（x二 摩尔分数）TI01 = 1242C- 1.4x（A1203）- 2. lx（Mg0）-4. 5x （Na.0, K20） -8. 5x （CaF.）-15. 3x（B： 03）（7）熔

18、化温度如图8a所示，温度低于粘度大大增加时的温度（如液体润滑开始 中断 时的温度）。我们认为液渣在结品器/坯壳间隙与粘度汁中的表现类似，因此选抒T而 不是T浪。在某些情况下测得的心和丁沁十分相近。但在某些情况下相 差70Co熔 化温度（和可能的凝固）随冷却速率增加而降低，一般在T0CmiiT时测量，但也可 认为在结晶器内冷却速率更低，为ca. 10CCs”。通过下列公式，冷却速率为loomini 时，计算所得熔化温度误差为20C。Tbr-1120 C = -8. 43%A1.O3 一 3. 3%SiO2 + 8. 65%CaO - 13. 86%MgO -18. 4%Fe.O3 -3. 2%M

19、nO -2. 2%K.O-3. 20%Na.0-6. 47%F（8）由于以下原因，熔化温度很重要：熔化温度决定粉渣层厚度并影响Qhor熔化温度决定液体层厚度并影响保护渣消耗量和润滑拓粘度玻璃状渣（有时用于方坯连铸）不能展示熔化温度，但可逐步从液态 转 化为超冷液态，直到达到玻璃状传送温度&。一般发生在大约600C （图8b）。如果 对玻璃状渣进行热膨胀测量，可看到III于冷液渣不能承受两个探测器的汗力，试样 将在超过h时破裂。因而希望超冷液态渣能沿坯壳流动，起到一些润 滑作用。图8:阿赫纽斯图表显示用于方坯连铸的R传统保护渣和b）高粘度保护渣的关 系, log10粘度（dPaS）对温度倒数（K

20、-1）的关系。应该指出的是，可以根据粘度和以熔化温度为基础的保护渣水平传热达到润滑要 求。图9显示大量的板坯，大方坯，方坯的工厂数据，可分为下列三种曲线:HC钢易于产生纵裂HC钢易于产生粘结漏钢其他钢种处于上述两类曲线之间图9：粘度、熔化温度和拉速间的关系渣膜的结晶部分热阻Rc“随坯壳片度和渣膜结晶部分（图2）的增加而增大。原因是、|玻璃态 转化为较稠密的结晶相时，在结晶器铜板与坯壳之间的间隙（相*于空气隙）形成表 面粗糙状（凹凸面）。渣膜结晶部分对水平热传递的虫要性促使我们对结晶部分进行进一步的研究。有人采用双热电偶和淬火技术对时间-温度-转化（T-T-T）曲线进行研究。（T-T-T）曲线决

21、定一定时间和温度时形成的晶体相的数量。标准事例见图10,其事 例显示在800C时，渣达到50%品片，将需要300秒以上的时间。图10：与等温T-T-T曲线相对的连续冷却曲线偌卡波依斯研究了结晶的理论背景并在其报告中说，人口二0. 77T“是普遍可以 接受的公式，结晶器保护渣常数值大约为0. 860. 06o R = T_ _T 11Q/tooieAA临界淬冷 速率，t二时间。并可得出结论，虽然近似值对区分相关成分形成结晶相有用，但这 些研究无法进行定量检测。假设最初形成的渣层是玻璃状的，在热区（坯壳侧）马上结晶。近年有人在报告 中指出结晶相是在较冷的结晶器侧形成的。原因如下：渣膜可保存较长时间

22、，即使在相对低温下也能形成结晶相。（见 T-T-T图） 枪晶石的 T泗较高，形成第一个相并沉积在结晶器侧，晶体生长穿过坯壳侧。当结晶器侧渣膜温度 600C时结晶。据报告，枪品石（3Ca0. 2SiO2. CaF：）在初次结晶时形成，霞石或carnegieite在二 次结晶时形成。采用各种方式，包括光学显微镜检查，X射线DTA和DSC,表面粗糙度的测 量 可决定渣膜结晶相的数量。设讣各种测试来测定在结晶器保护渣渣膜中形成的 结晶 相的数量。需要根据保护渣化学成分决定渣膜中生成的结晶相的数量。李曾尝试采用各种 代表钢水的参数测量晶片。发现修改后的NB0/T可提供测量晶片的最佳方法。（图 11）图1

23、1：作为修改后NB0/T速率功能的结晶度分比。NB0/T速率代表解聚合。NB0/T 二（9）2人乙0 +心坯,+心一+ 2人）伽0）沁+2心也+沁+2/ + （5。+心伽。）X二结晶器保护渣成分的摩尔系数。分母/分子中的括号表示如果MgO大于7.0% 或MnO大于4.0%时，应包括在分母中，否则将包括在分子中。界面张力ya界面张力对于连铸工艺的重要性如下：-raj y BS值有助于使夹渣达到最小山包括W的毛细常数决定弯月面形状以及渣膜的厚度一般采用X线静滴装置测量界面张力。有人想使用已去除钠化合物的保护渣使y比最小化，从而减少夹渣。克兰姆柏 和其合作者在报告中提到，y或随A1Q增加，随NAo减小。用下列公式计算界面张力：y/y jy/ 0(2yy J05do)下标m二钢水，沪气体,，二渣，0来自自由能量差别AG。但应注意上述公式界 而娠力、鼻，它主要山钢水中硫含量决定。调节保护渣成分对的影响不如调节钢水中 硫的含量。热特性渣层的热特性对坯壳和结晶器间的水平热传递起着十分重要作用。许多人在报 告提到，玻璃状渣，结晶渣和液渣以及结晶器渣