炼钢保护渣基本知识讲座 课件

0、引言

从大包浇注到铸坯矫直的连铸过程是一个从液态变为固态的物理化学过程，涉及热力学、动力学等方面，关键控制点主要有：1、中间包冶金技术，涉及到钢水的纯净度控制、温度控制、流场控制等；2、结晶器振动技术，涉及振动模式的优化选择等；3、结晶器冷却控制，涉及不同的冷却强度；4、结晶器保护渣技术控制，涉及到铸坯的传热冷却与润滑、表面质量；5、二次冷却技术控制，涉及到不同钢种的凝固与动态轻压下控制制度等，涉及铸坯的内部质量；6、整个连铸过程的新技术应用等，如末端轻压下、电磁搅拌、中间包加热、热装热送、近终连铸等技术。12/6/2023第一页，共六十三页。炼钢生产流程示意图12/6/2023第二页，共六十三页。板坯连铸车间：杨俊锋2010年中修培训今天只讲：保护渣的应用！

为什吗？12/6/2023第三页，共六十三页。1、保护渣的发展过程在连铸取代模铸后，在提高成材率、降低能耗、降低职工的劳动强度等方面表现的异常优越，而结晶器保护渣技术对生产的顺行和铸坯质量的控制，特别是表面质量起到了至关重要的作用，浸入水口+保护渣的浇注模式被连铸工序普遍采用。在使用保护浇注前，坯壳与结晶器之间的润滑和传热是通过加入菜籽油获得，其原理是用油的不完全燃烧产物或其炭氢化合物的分解产物来保护结晶器的钢液面和润滑。缺点是：坯壳与结晶器之间的润滑和传热性能差，热流波动大、坯壳厚度不均匀、表面质量差、漏钢几率大。同时随着高端产品生产的提高，该种方式逐渐被淘汰。12/6/2023第四页，共六十三页。1、保护渣的发展过程保护渣技术诞生于20世纪60年代，早期的保护渣是用火力发电厂的烟灰，水泥熟料和高炉渣等掺入溶剂制成。添加了炭黑，传统上的保护渣都是黑色的。70年代保护渣的研究与应用进入活跃期，研究学者根据不同钢种连铸对保护渣的物理性质要求，明确的提出了控制保护渣融化速度的重要作用，融化模型可以通过配入的碳的数量与粒度进行控制。为减少板坯的表面纵裂和夹渣，保护渣的粘度和融化速度应保持一个恰当的比值。铸坯振动痕迹的形状及保护渣性能对振痕的影响也得到研究。70年代后期，学者系统的论述了保护渣对钢弯月面的保护作用，明确的提出了高碱度，低粘度以及高含CaF2、Na2O的保护渣有利于吸收非金属夹渣物。80年代以来铸坯的热送以及热连轧的发展，高拉速、高铸坯质量保证的保护渣研究进入高速发展阶段。对有关坯壳和结晶器间渣膜的形成与流动、渣膜的厚度及均匀性、结晶器与坯壳之间的传热，以及渣膜的最佳状态与连铸工艺之间的相互关系进行了广泛的研究，提出了在正常条件下保护渣的粘度和拉速、粘度与振频之间的定量关系。近年来又开发了不含碳的白色保护渣，彩色保护渣，同时采用无尘技术，降低了对环境的污染。

12/6/2023第五页，共六十三页。1、保护渣的发展过程高效连铸的发展，保护渣技术成为高效连铸的一项关键技术，在高拉速情况下遇到的粘结漏钢和铸坯表面质量两大难题必须用保护渣来解决，因此要求保护渣：。保护渣必须在高拉速或拉速变化较大时能保证足够的耗量来避免粘结。结晶器与坯壳之间形成的渣膜厚度适宜且分布均匀，以降低摩擦力，促进传热，使坯壳均匀生长。要有良好的溶解、吸收夹杂物的能力，并且在吸收夹杂物后，能保持稳定的使用性能。因此目前保护渣的发展趋势向着具有高碱度、低粘度、低熔点、高融化速度，高玻璃化率的保护渣发展，来保证生产的稳定和铸坯质量的提高。？这句话完全正确吗？学习到碱度时讨论。12/6/2023第六页，共六十三页。保护渣的主要作用防止钢液面受空气的再氧化。对裸露的钢液绝热保温。吸收和熔解非金属夹杂物。在结晶器和坯壳间起润滑作用，使铸坯能顺利拉出。控制传热的速度和均匀性，保证铸坯质量。12/6/2023第七页，共六十三页。结晶器内保护渣熔化模型1—固态渣层;2—烧结层;3—半熔化层（富炭层）;4—液态渣层;5—钢液;6—坯壳;7—玻璃质(液态）渣膜;8—晶体质渣膜;9—渣圈12/6/2023第八页，共六十三页。连铸对保护渣的要求12/6/2023第九页，共六十三页。2、保护渣的分类按照化学成分分：SiO2-CaO-AL2O3系列，SiO2-CaO-CaF2系列、SiO2-AL2O3-Na2O系列在此基础上加入添加剂和控制融化速度的碳质材料即可。按形状分：粉渣、实心颗粒渣、空心颗粒渣按照使用材料分：原始材料机械混合、半预融、预融型。按照使用特性分：高中低碳保护渣、方板保护渣、本体渣，开浇渣。12/6/2023第十页，共六十三页。2、保护渣的分类发热渣：以硅酸盐和氟化物为主，配入金属粉（硅钙粉，铝粉）和氧化剂，靠金属粉的氧化发出大量的热量，迅速形成熔渣层，缺点：由于加入氧化剂，会使表面钢液增氧，对去除夹杂物不利，配料不当会出现剧烈燃烧，产生大量烟雾和火焰不利于观察液面，影响操作。预融渣：把基料、助溶剂按照一定的比例配合，在高温下预先融化，形成均匀的物相，粉碎后配入碳质材料制成颗粒，干燥，得到预融渣。优点：化学成分和相成分均匀，再结晶期内能均匀融化，形成稳定的熔渣层，形成渣膜均匀，获得良好的铸坯质量。缺点：工艺复杂，价格昂贵。12/6/2023第十一页，共六十三页。3、保护渣的成分组成及其作用1、基料：保护渣的理化性能如熔化温度、粘度等与其化学成分是密切相关的，确定保护渣的组成是研制保护渣的基础。当前的保护渣多以硅酸盐相图为理论基础，最广泛的是SiO2-CaO-AL2O3三元相图，在此相图中存在一个低熔点区域，俗称硅灰石区域，SiO2约45-60%、CaO约30-50%、AL2O3＜20%，熔点在1300-1500C之间，碱度约等于1.0，粘度较低的一个区域。连铸保护渣均以此成分为基础加入适量的助溶剂对其熔化温度和粘度进行调整。12/6/2023第十二页，共六十三页。3、保护渣的化学成分及其作用2、助溶剂：CaF2、Na2O、Li2O、MgO、MnO等（俗称的苏打粉Na2CO3、冰晶石Na5Al3F14、硼砂Na2B4O7以及含氟材料NaF\CaF2），这些助溶剂均属于低熔点组分。主要用来调整保护渣的熔点和粘度，量小但对保护渣的性能有很大的影响（原因是：这些氧化物属于破网物，能破坏硅酸盐的网络结构，在保护渣中起到降低熔化温度和粘度的作用。结网物，SiO2、AL2O3等），但是加入过多则促进熔渣的结晶化倾向，同时易析出枪晶石，钙铝黄长石等高熔点物质，对润滑不良。常用助溶剂降低熔化温度的顺序如下：Li2O＞NaF＞冰晶石Na5Al3F14＞苏打粉Na2CO3＞CaF212/6/2023第十三页，共六十三页。3、保护渣的化学成分及其作用3、炭质材料控制融化速度，利用炭的骨架效应，使已经融化的渣滴不能彼此聚集形成熔渣层，来控制融化速度与融化模型。碳的含量，类型、粒子尺寸和着火点温度对保护渣的性能影响较大，一般配炭含量小于10%。12/6/2023第十四页，共六十三页。4、保护渣成分对性能的影响保护渣的配碳材料主要有炭黑和石墨，要求碳质材料中的硫化物和氧化铁的含量尽可能的低。配碳时可以进行炭黑和石墨进行混合配碳，这样能充分发挥碳质材料控制融化速度的作用。炭黑的分散度大，着火点低，低温时炭黑发挥隔离基料例子的作用，石墨着火点高，高温下作为骨架粒子比较适宜，高温时石墨发挥作用，能够使融化速度在较宽的温度范围内缓慢变化并保持稳定。12/6/2023第十五页，共六十三页。3、保护渣的化学成分及其作用炭在保护渣中的作用机理：第一阶段：粉渣受热，温度上升200C左右，水分开始蒸发，保护渣基本不发生变化；第二阶段：温度进一步上升，发生部分低熔点物质的化学反应，500C-700C碳质材料开始燃烧，结晶水分解；第三阶段：温度继续上升，融溶渣料与其它渣料部分接触，开始发生烧结反应；第四阶段：温度再上升达到保护渣的熔化温度时，碳质材料继续烧损，融化的渣料呈液滴状态，液滴逐渐聚集，在钢液上面形成保护层。由于碳质材料不溶于钢水，富余的碳质材料富集在液渣层与烧结层之间，形成富炭层；第五阶段：液渣渗入结晶器与坯壳之间的缝隙形成渣膜。未完全燃烧的碳质材料由于某些原因渗入渣膜后在影响润滑的同时会继续发生反应产生一氧化碳气体，易形成铸坯表层针状气泡。12/6/2023第十六页，共六十三页。保护渣组成、性能与原料选择之间的关系12/6/2023第十七页，共六十三页。4、保护渣成分对性能的影响12/6/2023第十八页，共六十三页。4、保护渣成分对性能的影响CaO，网络外体氧化物，熔点2600C，提高保护渣中CaO的含量，可明显的降低粘度并吸收夹杂，但随碱度的增大，易产生析晶，且产生析晶温度升高，结晶化倾向增大。使用析晶温度升高，结晶化倾向增大的保护渣产生的后果是结晶器摩擦力增大，易粘结漏钢。12/6/2023第十九页，共六十三页。4、保护渣成分对性能的影响SiO2、AL2O3，其含量过高，会使Si-AL-O离子结构变大，熔渣的粘度增大，熔点升高，但是能降低渣子的凝固点，改善部分润滑效果？（长渣、短渣解释）。12/6/2023第二十页，共六十三页。4、保护渣成分对性能的影响CaF2，降低渣子的熔化温度，降低渣子粘度，但易侵蚀耐材，对身体有害。Na2O，网络外体氧化物，破坏硅酸盐的网络结构，降低融融温度和粘度，过高则结晶化倾向增大，易析出霞石，不利于润滑。Li2O，破坏渣子的链状结构，使渣子具有流动性并降低结晶温度，降低粘度和软化温度。其氧化物是一种强助溶剂，微量的加入＜2%就对保护渣的玻璃化程度和析晶率的降低影响极大，高拉速常配此物质。BaO，增强吸收AL2O3的能力，降低熔化温度和粘度，提高渣子的玻璃化率，提高渣子溶解氧化钛的速度，防止CaTiO3的形成，抑制晶体的析出，改善润滑，提高铸坯表面质量。（该氧化物主要用于不锈钢保护渣和高合金钢保护渣）12/6/2023第二十一页，共六十三页。4、保护渣成分对性能的影响TiO2，大量进入熔渣易生成CaTiO3，恶化熔渣性能及润滑，同时结晶器液面结“冷钢”。MgO，降低渣子粘度、凝固点，增加渣子的流动性，提高耗量，对稳定渣子的化学稳定性十分有利。MnO2，含量增加熔渣的传热系数降低，有利于化学稳定性，能使熔渣在较宽的温度范围内保持均匀，但对水口侵蚀严重。碳质材料控制保护渣的融化速度，来适应连铸的渣耗量。12/6/2023第二十二页，共六十三页。5、保护渣的基本物理化学特性碱度，依据离子理论，碱性氧化物分解时生成金属正离子和氧负离子，酸性氧化物则吸收氧离子生成复合离子。

通过得失电子的强弱排序如下：CaO、MnO、FeO、MgO、CaF2、Fe2O3、TiO2、AL2O3、SiO2、P2O5由于熔渣中的P2O5很少，因此酸性最强的是SiO2，碱性最强的是CaO，因此碱度最简单的表示方法就是用CaO与SiO2的浓度比值来表示。R=CaO%/SiO2%（R＞2的为碱性渣，反之为酸性渣），碱度是反映保护渣吸收钢液中的夹杂物能力的重要指标，同时也反映保护渣润滑性能的优坏。R升高，渣子吸收夹杂能力增大，但是析晶温度变高（短渣），易析出钙铝黄长石，粘度升高，不利于润滑。12/6/2023第二十三页，共六十三页。5、保护渣的基本物理化学特性因此就要求保护渣必须具有高碱度、低粘度（是否矛盾）、低熔点、高融化速度，高玻璃化率保护渣来保证生产的稳定和铸坯质量的提高。？这句话完全正确吗？NaOB2O3MnOZnOCaF2AL2O3TiO2CaOSiO2MgOSiO2CaO/SiO2摩尔碱度R玻璃体比10%10%10%10%10%7.50%7.50%10%10%10%5%23.5394%12/6/2023第二十四页，共六十三页。5.2、粘度定义：表征液体渣流动性的好坏（微观上讲是表征各渣层分子间的内摩擦力的大小）。直观的表现粘度的方法：酸、碱性保护渣由于离子结构不同，粘度随温度变化的情况也不同，在酸性渣中含有大量的三维网状的硅氧复合离子，也就造成指点的移动比较困难，熔渣在冷却到液相温度以下时，硅氧离子扩散较慢，来不及在晶格上排列，凝固时不能结晶出排列整齐的晶体，从而形成过冷的玻璃态。同时由于其凝固温度范围较宽，非常适应做保护渣。酸性渣由于能拉长丝，又称长渣。碱性渣中没有大集团的硅氧复合离子，质点移动比较容易，变化相同的粘度时温度区间较短。液渣不能拉成长丝，又称短渣。12/6/2023第二十五页，共六十三页。5.2、粘度保护渣粘度是控制结晶器与铸坯之传热和润滑的重要参数。粘度值的大小合适是保证熔渣是否能够顺利填入结晶器与坯壳间的通道，保证渣膜厚度、保证合理的传热速度、保证润滑的关键。粘度过大，熔化的保护渣不易渗入结晶器和铸坯之间的缝隙内，铸坯的润滑条件恶化，导致坯壳不易从结晶器内拉出，甚至造成粘性漏钢事故。粘度过低，熔化的保护渣大量流入结晶器和铸坯之间，铸坯润滑和传热不均，导致表面裂纹产生，产生废品。12/6/2023第二十六页，共六十三页。5.2、粘度保护渣的粘度应该控制在一定的范围，连铸保护渣的粘度在1300℃时，一般都小于1Pa·s。连铸保护渣的粘度应该与浇铸钢种、结晶器断面形状和尺寸、结晶器振动方式相配合。低碳铝镇静钢连铸保护渣的最佳粘度（1300℃）满足下式：12/6/2023第二十七页，共六十三页。5.2、粘度如何来调粘度？在冶金过程中，当熔渣的粘度较高时，通常加入稀渣剂使其粘度变低。对于酸性渣来讲，由于造成粘度大的原因主要是复杂的链状或网状的硅氧离子，因此凡是能使硅氧离子解体的均是稀渣剂，如能提供F-的CaF2，能提供O-2的NaO、MnO、MgO、CaO等均能使粘度降低。例如：Si2O76-+O2-=SiO44-+SiO44-Si2O76-+2F-=-O-Si-F+F对于碱性渣来讲，造成粘度大的原因主要是渣中未溶解的CaO微粒，因此凡是能过促进CaO颗粒溶解的皆为稀渣剂。CaF2、FeO、NaO其熔点均低于氧化钙，同时晶格相同能过互相渗透与其能形成低熔点的共熔体，促使氧化钙溶解，起到降低粘度的作用。12/6/2023第二十八页，共六十三页。5.2、粘度粘度与碱度的关系：保护渣的粘度主要取决于保护渣的成分与液渣的温度，一般通过碱度的高低来调节粘度的大小。对于酸性渣或偏中性的保护渣，适当提高氧化钙或降低二氧化硅的含量，即能降低液渣粘度、改善流动性，或者增加氟化钙或氧化钠的含量，能在不改变碱度的条件下改善液渣的流动性。对于碱性渣来讲，碱度一定时，渣中AL2O3升高，熔渣的粘度增加。12/6/2023第二十九页，共六十三页。5.2、粘度粘度的稳定性包括：化学稳定性和热稳定性两个含义，化学稳定性指允许熔渣化学成分有一定的波动范围时粘度不发生大的变化；热稳定性指钢水温度变化对对熔渣粘度的影响不大。12/6/2023第三十页，共六十三页。5.3、熔化温度熔化温度主要取决于保护渣的成分。组成熔渣的纯组元都有各自的熔点，高温下，这些氧化物相互作用生成化合物或共晶体，这样熔点又发生变化，如：硅灰石（CaO.SiO2）熔点为1544°C，正硅酸钙2CaO.SiO2熔点为21300C。因此保护渣是多种化合物组成的混合物，不可能有一个固定的熔点，因此讲保护渣的融化过程从开始融化到融化完毕是在一个温度范围内进行的。为了描述熔点，人为的定义渣子完全转变为均匀液体时的温度为熔点（液相温度）；凝固点是液渣冷却时开始析出固体时的温度（固相温度）。对于保护渣而言：人为定义保护渣融化达到开始流动的温度为熔化温度，即渣样加热有圆柱体变为半球形的温度。12/6/2023第三十一页，共六十三页。5.4、融化速度融化速度太慢，则不能在钢液面上形成合适厚度的液渣层，对熔渣的隔离作用和吸收夹杂不利，同时形不成足够的液态渣膜对润滑不利。融化速度太快，则造成原渣层不稳定，熔渣暴露与大气，使得热损增大，钢液面结壳，夹杂缺陷。12/6/2023第三十二页，共六十三页。5.3、熔化温度对于实际生产来讲，保护渣的熔化温度应低于或等于结晶器下口处坯壳表面温度，这样才能维持熔渣沿着坯壳四周运动而不凝固。一般认为结晶器下口铸坯温度12500C，通常保护渣的熔化温度控制在12000C以下，板坯保护渣控制在1050-1200C。融化温度受到结晶器长度、拉速、结晶器冷却、渣子吸收夹杂后性能的影响，同时研究发现降低熔化温度有利于渣膜厚度的增加，利于润滑。12/6/2023第三十三页，共六十三页。5.4、融化速度的控制元素：炭保护渣通过加入炭来调节融化速度，用碳来隔离基料粒子来控制融化特性。保护渣的配碳材料主要有炭黑和石墨，要求炭质材料中的硫化物和氧化铁的含量尽可能的低。配碳时可以进行炭黑和石墨进行混合配碳，这样能充分发挥碳质材料控制融化速度的作用。炭黑的分散度大，着火点低，低温时炭黑发挥隔离基料例子的作用，石墨着火点高，高温下作为骨架粒子比较适宜，高温时石墨发挥作用，能够使融化速度在较宽的温度范围内缓慢变化并保持稳定。炭质材料对熔化速度的影响规律是：炭量越多，炭的粒度越小和比表面积越大，则降低熔化速度的作用越强烈。常用的炭质材料降低熔化速度的顺序是：碳黑>高炭石墨>土状石墨。。开浇渣为何呈灰白色？12/6/2023第三十四页，共六十三页。5.5、融化的均匀性保护渣加入结晶器后，不仅要求易融化，而且还要求均匀融化铺展到整个液面上，并沿结晶器均匀流入坯壳与铜板之间的缝隙。实际情况中，保护渣是硅酸盐的混合物，组成为基料、助溶剂和碳质材料。基料的熔点高一些，助溶剂相对低一些，如果在制作过程中发生混料不均匀或在结晶器中的受热条件因时间和坐标位置不同而产生易融化的组分过早融化并从渣层消失称之为分融（渣子结团、烧结层发达）。产生分融将会影响到熔渣层的均匀性，从而影响到保护渣的粘度及减弱其吸收夹杂物的能力，对传热、润滑和铸坯夹渣都会带来危害。讨论：保护渣的均匀融化与非保护渣的影响关系12/6/2023第三十五页，共六十三页。5.7、结晶（析晶）温度定义：指熔渣由高温冷却时开始析出晶体的温度。结晶温度越高，表征保护渣的结晶能力越强。保护渣的结晶温度决定结晶器中渣膜液相渣膜润滑消失的时间，结晶温度高，渣膜液相润滑消失早，固相润滑摩擦力大，对于润滑铸坯不利。随着结晶体的析出长大，固态渣膜中由于收缩产生孔洞，降低传热作用，阻碍了横向热流，有利于减少纵裂纹缺陷，因此对于裂纹敏感的中碳钢和包晶钢讲，应采用较高析晶温度的保护渣。12/6/2023第三十六页，共六十三页。5.7、结晶（析晶）温度结晶温度的意义：1、当析晶温度高时，液体渣中容易析出硅灰石、黄长石、枪晶石等高熔点晶体，从而影响保护渣的润滑性能，增大结晶器与铜板间的摩擦力，增加粘结的可能性。2、固态渣膜中析出大量的晶体质改变了渣膜热量传递的热阻。研究认为，高碱度会使析晶温度升高，保护渣的结晶倾向增大，因为当CaO含量增大，Ca2+与Si-O键中的O2-反映，打断Si-O键，使得渣的结晶倾向增加，结晶温度上升。降低碱度利于抑制晶体的析出。12/6/2023第三十七页，共六十三页。5.7、结晶（析晶）温度熔融的保护渣要求难以析出初晶，即具有良好的玻璃态，这样才能保证渣膜的润滑功能，使连铸坯在结晶器内向下运动过程中受到尽可能低的摩擦力。如果保护渣的结晶温度高，容易析出晶体，不仅对固体摩擦不利，而且也不能增大液相渣膜内的剪切力。12/6/2023第三十八页，共六十三页。5.8、析晶率指固态渣膜中结晶相占的比例，析晶率主要用来描述保护渣的润滑性能和传热能力。液渣在凝固过程中晶体析出，由于体积收缩使得形成的固态渣膜中形成许多蜂窝状空隙，从而增加了保护渣的传热热阻，达到控制传热效果。但是由于晶体质渣膜的润滑能力不如玻璃质渣膜，过厚的晶体质渣膜将会影响润滑效果。碱度对其影响明显，碱度提高，析晶率提高。举例渣条。12/6/2023第三十九页，共六十三页。5.9、玻璃化率定义：一定质量的保护渣在1400C的氧化坩埚中单项加热7vmin形成的液态渣的比率。当玻璃化率高于80%时，保护渣有形成厚渣圈的倾向，保温性能降低，液面结壳；玻璃化率太低，纵裂指数提高。玻璃体比率=R2O/（AL2O3+SiO2），在一定程度上表征润滑效果。12/6/2023第四十页，共六十三页。5.10、表面张力、界面张力表面张力：单位面积的液相与气相形成新的交界面所消耗的能量，其决定了液渣润湿钢的能力，它对控制夹杂物分离、吸收夹杂物和渣膜的润滑起重要作用。界面张力：两凝聚相之间存在的张力。12/6/2023第四十一页，共六十三页。保护渣物理性质5.11、铺展性，铺展性的好坏影响到是否能形成均匀的融化层结构和良好的隔热效果。5.12、透气性，吹入水口的氩气，保护渣分解的二氧化碳及燃烧的一氧化碳气体，大部分都要通过固态颗粒之间的空隙释放出，透气性差将会干扰到渣子的正常融化，气体在一定程度的饱和后的瞬时释放将会影响液渣层的剧烈波动。5.13、保温性，防止液面结冷钢，维持弯月面区域较高的温度，保证熔渣的正常流入等等。5.14、烧结特性，保护渣从粉渣融化到液渣的过程中，不可避免的要经过烧结这个必经环节，过度的烧结将会导致结晶器钢液面上面出现渣团，渣块。烧结层过厚，结晶器弯月面会出现大而厚的渣条。高拉速下团块卷入钢水和弯月面初生坯壳。烧结成块的保护渣保温性能，透气性差，对维持温度均匀的液渣层极为不利。保护渣的烧结特性与添加的隔离材料碳存在密切的关系，还与原料成分，物相有关。5.15、粒度、水分、堆密度12/6/2023第四十二页，共六十三页。6、保护渣的融化与凝固保护渣在连铸过程中分阶段完成其使用，申峻峰认为：大体可分为两个阶段融溶与凝固。第一阶段：从保护渣加入到结晶器内。受热逐渐融化形成渣池为标志。这一阶段主要是由固相向液相转变，起的作用是隔绝空气、防止钢水氧化、保温。第二阶段：液渣由弯月面向结晶器与坯壳的间隙渗流到渣膜脱出结晶器为标志。这一阶段主要是液态渣子在高的温度梯度下发生凝固，形成固-液复合渣膜，保证良好的润滑与传热。12/6/2023第四十三页，共六十三页。6、保护渣的融化与凝固6.1、第一阶段：保护渣的融化熔化过程可分为：1、有机物氧化和水分脱水、气化；2、碳质材料的燃烧与损失（和炭的类型和数量有关）；3、融化加快（取决于基料的化学成分、矿物性质、粒度）；4、融化。影响保护渣融化的因素有：V、热流、渣物理化学性能、碳，其中碳质材料的影响最大，碳含量高，聚集时间延长，融化速度慢，反之。融化速度快则影响保护渣的性能，易形成冷皮及皮下夹杂，一般认为熔渣厚度在10-30mm之间，说明融化速度比较合适。12/6/2023第四十四页，共六十三页。6、保护渣的融化与凝固6.2、第二阶段：保护渣的凝固熔渣有结晶器弯月面流入缝隙即受到铜板的强制冷却快速形成1mm厚度左右的渣膜，尽管厚度很小，但是他与铜板形成的界面热阻（占到坯壳到铜板的70%）却对结晶器的传热起到了至关重要的作用。保护渣的凝固也可认为是三层结构。铜板对熔渣的激冷作用使得渣膜靠近铜板的一侧形成玻璃结构，其后由于热阻的作用，促使其再结晶，并在结晶层中由于收缩的作用形成气孔。由于再结晶的作用，靠近铜板的一侧的渣膜表面凹凸不平并伴有小裂纹，靠近坯壳一侧由于高温作用呈液态，出结晶器后才凝固形成固相。固态渣膜在开浇初期形成后，由于与铜板摩擦力的存在，主要部分不随铸坯向下运动，在连铸过程中不消耗，液态渣膜处于固态渣膜与凝固坯壳之间起到润滑作用，随铸坯向下运动带出结晶器，同时液渣层上的熔渣渗入而得到补充。12/6/2023第四十五页，共六十三页。7、保护渣的润滑结晶器润滑的目的在于防止铸坯表面与结晶器粘结，起到脱模的作用。敞开浇注时主要利用油类燃烧的不完全产物来进行润滑；采用浸入水口浇注工艺后，铸坯与铜板之间的润滑可以通过保护渣实现。液态渣膜填充与之间，防止坯壳粘结。要保证良好的润滑：则在坯壳与铜板之间必须有一层性状合适、厚度均匀的液态渣膜。浇注开始后流入间隙的熔渣在结晶器璧面冷却凝固形成渣膜，渣膜包括固态层和液态层，其厚度分别为1-2mm和0.1-0.2mm。由于摩擦力的存在使得固态渣膜紧贴结晶器壁与结晶器一起运动，液态渣膜随铸坯运动，在结晶器下半部分，坯壳收缩，形成气隙。12/6/2023第四十六页，共六十三页。7、保护渣的润滑结晶体与玻璃体的形成：紧靠结晶器壁的固态渣膜，由于激冷的缘故，不产生析晶形成玻璃层，在靠近液态渣膜处，固态渣膜在浇注过程中析出晶体。在碱度和氧化钠含量高时，在结晶器壁上也可直接析出晶体。晶体的厚度与形成取决于保护渣的碱度、氧化钠、三氧化二铝和炭材料的颗粒。高碱度和高氧化钠含量促进析晶，三氧化二铝促进玻璃体的形成，碳质材料提供晶核核心，促进析晶。结晶相和玻璃相具有不同的传热性能，其比例应该依据钢种和浇注工艺来确定。12/6/2023第四十七页，共六十三页。8、保护渣的传热合理控制铸坯与铜板的水平传热，可避免铸坯产生缺陷。影响传热的因素比较多，本节仅仅讨论保护渣渣膜热阻对传热的影响。从铸坯一侧的液渣逐渐过渡到结晶器壁一侧，有玻璃体渣膜和结晶体渣膜，研究认为，铸坯向结晶器的横向传热，有通过渣膜的辐射和传导传热两种方式。增加渣膜中的晶体数量使辐射发生散射或调整保护渣的成分使红外辐射被部分吸收或截止，均可以起到降低辐射传热的强度。在玻璃体渣膜中以红外辐射传热为主；晶体质渣膜中以传导传热为主。研究认为辐射传热通常仅占总量的10-30%，因此传导传热是控制保护渣渣膜中热流的主要因素。12/6/2023第四十八页，共六十三页。8、保护渣的传热如何来增加渣膜中的晶体数量，来控制传热？8.1、提高转折温度，由此增大固态渣膜厚度；8.2、采用高碱度和高氟的渣成分，以提高析晶温度和析晶晶粒度，使渣膜靠铜板表面产生凝固收缩的凹凸粗糙度。传热受到矿物特征的影响，结晶相的导热系数大于玻璃相的导热系数。不同矿物具有不同的导热系数，按照导热系数的大小排列，硅灰石（CaO·SiO2）>黄长石（2CaO·Al2O3·SiO2）>枪晶石（2CaO·SiO2·2CaF2）>霞石(Na2O·Al2O3·2SiO2)。提高保护渣碱度，使得硅灰石区域缩小，扩大了枪晶石和霞石的区域，从而降低了导热系数。纵向传热主要受保护渣物理性质和配碳的影响，本节不叙述。12/6/2023第四十九页，共六十三页。9、保护渣吸附夹杂物的能力由于钢液脱氧平衡的移动和钢水的二次氧化等会产生一部分夹杂，在结晶器中上浮。这样就要求结晶器中的融融保护渣能够溶解钢-渣界面聚集的夹杂物，如果不能溶解上浮的夹杂物则会出现：1、夹渣物进入熔渣形成多相渣，破坏液渣的均匀性和、流动的稳定性。2、不能进入熔渣的固相夹杂物将会富集在钢-渣界面处，使得流入坯壳与铜板之间的熔渣不稳定，恶化润滑性能，同时易卷入坯壳产生表面或皮下夹杂。12/6/2023第五十页，共六十三页。9、保护渣吸附夹杂物的能力3、保护渣吸收夹渣后其粘度、凝固温度、结晶性能等应该相对稳定，避免急剧变化对铸坯质量的影响和生产的顺行。目前普通连铸主要采用铝脱氧，产生的夹杂物以氧化物为主，如三氧化二铝。保护渣一般都是硅酸盐系列，这类渣均有吸收三氧化二铝的能力，同时可以提高熔渣的碱度等，来提高溶解三氧化二铝的能力。但是当渣中三氧化二铝富集到一定程度时就会有刚玉析出，使得吸收三氧化二铝的能力下降，同时易产生夹渣，需要进行换渣操作。12/6/2023第五十一页，共六十三页。保护渣中各组分对吸收、溶解夹杂的速度

碱度对熔渣吸收AL2O3速度的影响吸收速度随碱度的提高而增大且影响较大，碱度是影响保护渣溶解Al2O3能力的主要因素，随着碱度的增大，吸收Al2O3的能力增大，碱度为1.0~1.1时，吸收速度达到最大值，当碱度大于2时，吸收Al2O3的速度却呈下降趋势。保护渣中F-和Na+的含量对吸收Al2O3速度有明显的影响。资料表明，F-可以使复合硅氧离子解体，大大降低熔渣的粘度，特别是熔渣吸收Al2O3后仍然能够保持较低的粘度，碱度过高生成高熔点物质，聚集在熔渣中的AL2O3固体界面上阻止了AL2O3的进一步溶解。BaO（＜10%）对熔渣吸收AL2O3速度的影响BaO与CaO同属于碱土金属，有相似的性质。但是由于Ba2+的静电势，O2-与Ba2+结合力较弱，Ba2+更多的呈离子状在渣中游动，而静电势较弱的AlO2-与Ba2+形成弱离子对，使得熔渣吸收AL2O3的能力加强。CaF（＜25%）对熔渣吸收AL2O3速度的影响隨升高而增加，但由于钙离子的存在，与碱度的增加有相似的性质，因此不宜过高。12/6/2023第五十二页，共六十三页。保护渣中各组分对吸收、溶解三氧化二铝的速度如下：NaO（3-15%）对熔渣吸收AL2O3速度的影响氧化钠能降低熔渣的熔点与粘度，改善熔渣的传质动力学条件，对吸收夹杂有利。MnO（0-12%）对熔渣吸收AL2O3速度的影响MnO为网络外体，可降低熔渣的粘度，对提高吸收夹杂有利。B2O3（0-10%）对熔渣吸收AL2O3速度的影响B2O3的熔点较低，能与高熔点的物质进一步形成低共融物，降低其熔化温度与粘度，同时B3+离子容易渗透到AL2O3颗粒内部界面，扩大了作用面。改善吸收夹杂的动力学条件，因此吸收夹杂特有效。实验研究得出，在一定的含量范围内，对吸收夹杂速度影响的相对大小依次如下：B2O3＞CaF＞NaO＞BaO＞MnO＞R不锈钢保护渣吸收夹杂能力分析等生产不锈钢时再讲。12/6/2023第五十三页，共六十三页。保护渣消耗量保护渣的消耗量通常用kg/t钢或kg/m2(铸坯表面积)来表示。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。一般测定得到的平均消耗为0.3~0.7kg/t钢，计算出的与铸坯表面积相关的消耗量为0.3~0.6kg/m2。就评估保护渣的润滑能力而言，铸坯单位表面积的保护渣消耗量是一种更合适的指标。12/6/2023第五十四页，共六十三页。不同规格和不同铸速的保护渣消耗量12/6/2023第五十五页，共六十三页。连铸保护渣主要理化指标对消耗量影响粘度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一，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。保护渣的消耗指数随着粘度的降低