【《连铸保护渣概述》3700字】

连铸保护渣概述1.1保护渣的发展20世纪40年代，连铸技术开始兴起，进一步加速了钢铁产业的发展。相较于模铸工艺来说，连铸技术不但可以很大程度的降低钢材的生产成本，而且可以提升产品的质量。因此，连铸工艺逐渐被人们接受[14]。连铸保护渣是连铸生产工艺中必不可少的材料之一，同时它也在随着时代的更迭而革新。连铸过程中，保护渣起着至关重要的作用，不但可以保证连铸过程的顺利进行，同时还对连铸坯的质量有一定的影响[15]。早期连铸工艺采用敞开式浇注，研究人员使用菜籽油当做结晶器与铸坯之间的润滑剂，菜籽油便是连铸保护渣的前身。1963年连铸浸入式水口浇注技术开始出现[16]，飞灰取代了菜籽油，大大改善了铸坯和连铸结晶器之间的润滑和传热[17,18]。之后，研究人员在飞灰中加入石灰石、萤石和苏打灰等研制出混合物保护渣。连铸保护渣在此后10年间迅速成形，到20世纪70年代，连铸结晶器保护渣的研究和应用有了质的飞跃，其中日本和欧洲的研发处于领先地位。日本学者佐藤良吉[19]系统地研究了保护渣在结晶器中的行为。之后，欧洲学者P.V.Riboud[20]等人论述了保护性能与钢液弯月面的关系。80年代开始，连铸结晶器保护渣到了技术拓展的时代，特种合金、高速钢、薄板坯等新兴材料的出现，对连铸保护渣的性能提出了更进一步的要求，人们研究了液渣的流动与渣膜的形成及结构，渣膜的均匀性与厚度，铸坯与结晶器的传热等。从而使得连铸保护渣技术有了更广阔的发展。上世纪90年代，连铸保护渣技术理论已逐渐成熟。投入大量资金对连铸保护渣的原料、组成和特性，以及在连铸过程中的行为和作用进行了系统的研究，取得了较好的效果。在此期间，为了响应国家绿色发展的号召，国内对无氟保护渣进行了开发和研究[21]，取得了突破性进展。1.2保护渣的冶金功能加入结晶器内的保护渣，在钢水创造的高热环境下，逐渐升温并烧结、熔化形成特定的熔融结构，使其发挥冶金功能，保证连铸工艺的顺行及铸坯的质量。保护渣从加入结晶器到离开这一过程发挥的冶金功能可以归结为以下五类[22]：（1）防止钢液二次氧化当钢液从中间包注入结晶器时，由于冲击力的影响结晶器内钢液会不断的更新。此时加入保护渣，结晶器内中会迅速形成一层均匀的覆盖在钢液表面的渣膜。从而，起到隔绝空气、防止钢液氧化的作用。（2）绝热保温当保护渣与高温钢液接触时，由于传热速度降低会产生多层的熔融结构，这些渣层可以减少钢液热损失，进而降低钢水的过热度。一般起到保温作用的是粉渣层，它可以提高结晶器弯月面温度，减少渣圈的生成或过分长大，确保结晶器与铸胚之间的渣流通道顺畅，有效提高铸坯质量。（3）吸收非金属夹杂钢液从中间包进入结晶器期间不可避免的会带入一些非金属夹杂物（如Al2O3）。在钢液弯月面处，钢中活泼金属成分（如Al、Ti、稀土元素等）会与渣中的某些成分发生反应产生夹杂物，进入坯壳后导致铸坯表面裂纹和皮下夹渣。吸收夹杂主要由液渣层来实现，保护渣吸收夹杂物的能力受成分、黏度和表面张力等影响。（4）控制结晶器与铸坯间的润滑连铸过程的顺利进行依赖于保护渣在坯壳与结晶器之间的润滑，保护渣在结晶器弯月面上方吸收钢液的热量熔化成液渣，液渣流入坯壳与结晶器之间的缝隙形成液态渣膜[23]。液态渣膜的存在，降低了连铸时坯壳与结晶器之间的摩擦阻力，减少了黏结漏钢发生的可能。为了提高保护渣的润滑作用，多采用低黏度、低熔化温度、低凝固温度、玻璃态良好的保护渣[24]。（5）改善结晶器与铸坯间的传热在连铸生产过程中，保护渣的加入会使结晶器壁与铸坯之间产生渣膜，渣膜可以有效的控制铸坯向结晶器壁进行的水平传热，可以改善铸坯与结晶器之间的水平传热，有效地减少铸坯纵向裂纹的产生[25,26]。此外，结晶器与铸坯之间会产生纵向传热，纵向传热会影响金属熔池深度、针孔的形成、铸坯振痕的深度以及液渣在铸坯与结晶器之间的填充等。因此，铸坯与结晶器之间必须要形成厚度均匀同时结构合理的渣膜[27]，这样才能使铸坯质量得到改善[28]。由上述可见，保护渣的冶金功能对铸坯质量以及连铸工艺的顺行有着重大影响。随着炼钢技术的发展进步，对连铸工艺生产合金产品的要求越来越高。因此，更深入的掌握保护渣这五大功能是生产高质量产品的必由之路。1.3保护渣的基本组成目前，国内外常用连铸保护渣以CaO-SiO2-Al2O3的硅酸盐为基础，再添加一些助熔剂和碳质材料，来降低保护渣熔化温度以及调节其熔化速度。（1）基础渣料常见连铸保护渣一般由基础渣料、助熔剂、熔速调节剂三部分组成。CaO、SiO2、Al2O3的成分主要位于三元相图中伪硅灰石所在的低熔点区域，如REF_Ref73129668\h图2.1所示。由图可知，连铸保护渣基础渣系成分范围：CaO为30%～50%，SiO2为30%～60%、Al2O3小于20%，熔点范围在1300～1500℃之间[29]。图2.SEQ图2.\*ARABIC1CaO-SiO2-Al2O3三元相图Fig.2.1TheternaryphasediagramofCaO-SiO2-Al2O3（2）助熔剂当CaF2含量在10%以内时，随着其含量的增加可以有效降低保护渣的黏度。CaF2加人低碱度渣中将发生如下反应：2CaF2+SiO2=2CaO+SiF4，产生SiF4有毒气体。渣中CaF2含量不宜过高，过量的CaF2会使保护渣析出如枪晶石3CaO·2SiO2·CaF2这样的高熔点化合物。F离子可以破坏Si-O聚合体导致熔渣玻璃性下降，恶化结晶器与铸坯之间的润滑。此外，由于氟的存在，会导致环境污染，甚至对设备产生腐蚀现象[30]。Na2O同样是一种常用助熔剂，可以显著降低连铸保护渣的熔化温度及黏度。但是，过量的Na2O会产生霞石，使渣膜的结晶率变大，结晶率过高又会对渣膜润滑产生不利影响，严重时甚至引发黏结漏钢事故[31]。B2O3与SiO2类似，在熔融状态的保护渣中以网络形式存在，其含量的增加有助于熔渣冷凝时形成玻璃体，提高熔渣的玻璃化率[32]。B2O3能降低保护渣的黏度，抑制熔渣中高熔点物相的析出；同时降低了渣的偏析倾向；还能提高保护渣中Al2O3的饱和浓度，即提高保护渣吸收夹杂物后的稳定性[33]。TiO2大量进入熔渣中易生成高熔点(CaTiO3)，恶化熔渣物化性能。且它是结晶器液面形成“冷皮”的原因之一。MgO可以部分取代CaO，可以抑制晶体的析出，还具有一定的助熔作用，随着其质量分数的增加，连铸保护渣的熔化温度明显降低。BaO和MgO类似，但BaO降低熔化温度的性能要强于MgO[34]。（3）熔速调节剂熔速调节剂一般为碳质材料，如炭黑、石墨、碳化硅等，用来调节保护渣的熔速和熔化结构。加入量在1%～7%。碳粉主要作用是吸附在渣粒周围，降低渣料之间的相互接触，进而控制熔化速度。加入适量的碳粉，可以获得适宜的渣层[35]。1.4连铸保护渣的熔融结构在连铸过程中，保护渣加入到结晶器中，与钢液面接触，在钢液热量的作用下保护渣形成粉渣层、烧结层、液渣层的三层结构[36]，钢液表面的保护渣渣层结构对铸坯表面质量起到很重要的影响，保护渣分层结构如图2.2所示。（1）粉渣层。保护渣加入到结晶器时，最上层由于温度传递较慢，温度较低不会熔化，以粉料的形态存在，并维持一定时间。粉渣层熔化速度由保护渣中碳质材料的粒度、种类、配碳方案和数量决定。（2）烧结层。随着连铸拉坯的进行，液渣面被不断消耗，新的连铸保护渣又不断地被添加进结晶器内，同时烧结层保护渣也熔化产生液渣。（3）液渣层。连铸保护渣在结晶器钢液面上方与钢液接触，在钢液热量的作用下熔化成液渣层，其厚度必须要保持在一定的范围。一般液渣层的厚度在8~15mm，太薄或者太厚会使铸坯表面出现夹渣、裂纹或凹陷等缺陷。液渣层的厚度由连铸保护渣的熔化速度和消耗速度之间的质量平衡决定。1-结晶器；2-固渣膜；3-坯壳；4-粉渣层；5-烧结层；6-液渣层；7-钢液图2.2保护渣分层结构[36]Fig.2.2Layeredstructureofmoldflux[36]连铸保护渣熔化形成的层数和熔化速率相关，因此调整熔化速率至关重要，可以通过调节碳粉的加入量来控制熔化速度。如果碳粉较少，温度未达到碳粉开始烧结，碳粉烧尽，就会造成烧结层发达，使熔速太快，液渣层变厚。如碳粉较多，保护渣全熔化之后还会有一些碳粉存在，就会使烧结层过薄。当碳质材料的含量和种类不同时会形成不同的熔化结构：当保护渣中炭黑含量超过20%时，熔化过程中会形成粉渣层和熔渣层的双层结构；当炭黑的含量低于1.5%时，将会形成粉渣层、烧结层和熔化层的三层结构；当炭黑与石墨被同时加入，会形成粉渣层、烧结层、半熔层和熔化层的多层结构。1.5保护渣的理化性能（1）碱度碱度表示熔渣中碱性和酸性氧化物含量之间的比值。常用符号R或B来表示。它可以反应保护渣吸收钢液中夹杂物的能力高低，也可以反应保护渣润滑性能的优劣。一般来说碱度越大，吸收夹杂物的能力也越强。但随着碱度的上升，其析晶温度也上升，导致传热和润滑性能下降。（2）黏度熔渣的黏度是指液体渣移动时各渣层分子间内在摩擦力的大小，单位是Pa·S，一般在温度1300℃时测定。黏度值的大小合适可以保证熔渣能够顺利流入结晶器与铸坯间通道，保证渣膜厚度，保证合理的传热速度和润滑铸坯的关键。黏度通常采用旋转法测定或根据经验公式计算，一般测其在1300℃条件下的保护渣的流动性，常用保护渣的黏度为0.05～0.15Pa·S，也可以用1300℃时黏度与拉坯速率的乘积来评价润滑状况，研究认为在1.5～3.0之间较为恰当。（3）熔化温度熔化温度的高低主