保护渣对板坯连铸表面质量的影响

保护渣对板坯连铸质量的影响
丁寅
（新疆八一钢铁股份公司)
摘要: 通过对板坯纵裂纹形成原理及其影响因素进行分析、重点对于保护渣对板坯表面质量的影响进行探讨、从保护渣的角度解释了板坯易产生表面质量缺陷的原因、并对保护渣的性能提出了改进方法、从而进一步提高板坯铸坯质量。

关键词: 保护渣；表面质量;连铸；理化性能
1 引言
保护渣浮在钢液上，熔化成液渣渗入凝固坯壳与结晶器之间的缝隙中，形成渣膜。

该渣膜由靠近坯壳侧的液渣层和靠近结晶器侧的固态层构成，它不仅能润滑坯壳，防止黏结漏钢的发生，同时还能调节结晶器和凝固坯壳之间的热流，减少热流波动，以保证在弯月露区域形成的坯壳厚度均匀，降低表面纵裂纹产生的概率，提高铸坯表面质量[1-2］。

我厂浇铸大断面前期使用的保护渣为适应高拉速的需要,不可避免的要对保护渣的熔速、粘度、熔点、配碳等进行调整，这样,高速保护渣在浇铸低速钢时，虽然发生漏钢的几率小，但却不能形成良好的三层结构，影响到质量的控制和稳定。

轻微的纵裂纹经板坯精整后对下工序不会产生影响，但会降低金属收得率，影响整个物流的运转,使连铸连轧不能顺利进行,从而降低了生产效率。

2 保护渣的几个重要理化性能
2。

1 粘度（η)
粘度是考查保护渣物理性能的一个重要指标。

浇注时,保护渣的粘度影响其渗透，合适的粘度可以使保护渣在结晶器与坯壳之间形成有一定厚度的渣膜。

并能均匀铺展，这对改善板坯的润滑性能及稳定传热有重要作用.保护渣的粘度太低会对水口造成侵蚀,渣耗增大，渣膜变厚，影响板坯的水平传热；但粘度太高，又易形成渣条，渣耗过低，渣膜变薄且不均匀，易造成板坯的纵裂缺陷甚至漏钢。

粘度的操作范围主要是凭经验，控制好保护渣的粘度，保持稳定，可以把渣耗量稳定在一个合适的范围内，保证板坯的润滑与传热。

狄林成章等人研究低碳铝镇静钢保护渣时[3],认为粘度（η)与拉速（v e：m／min）之间在1300℃时的最佳范围遵循经验公式：η1300℃．v e=0。

2—0。

35（η:Pa·s）。

但也有人持不同意见[4]。

不过笔者认为现场所使用的保护渣粘度应根据冶炼的钢种的温度﹑成分,和所采用的连铸工艺制度做出合适的选
择.
2.2 碱度(R）
有文献[5。

6。

7］指出:保护渣的碱度是反应保护渣吸收钢水中夹杂物能力的重要指标.碱度大,保护渣捕获钢水中上浮夹杂物的能力就越强;不过碱度过大会使保护渣的析晶温度变高(见图1），对保护渣的传热和润滑不利。

保护渣的碱度在＜2．0时，随着碱度值的增大,保护渣的粘度、熔化温度及粘性活化能均逐渐减小。

但J.A。

Kromhout等人［8]却认为保护渣的碱度并不是保护渣性能中的关键参数。

碱度的范围一般都选在0。

8~1。

3之间。

图1 保护渣碱度与晶体析出温度的关系
2。

3渣层厚度与熔化温度(T)
合适的渣层厚度可以让结晶器壁与坯壳之间形成一个均匀稳定的渣膜。

一般情况下保护渣在钢液界面上分为3层结构：粉渣层、烧结层和熔渣层(见图2).熔渣层厚度一般在5~10mm，它与拉速和板坯的断面尺寸有关。

保护渣的熔化温度对结晶器内钢液界面上熔渣层的厚度和结晶器与坯壳之间的渣膜厚度有直接的影响。

熔化温度过低，则保护渣的消耗量增加，渣膜变厚，使渣膜的扩散不易均匀化，影响散热的均匀性；反之则不利于化渣，熔化速度减慢，渣耗过低或没有渣耗，使保护渣的润滑性能恶化，易发生粘钢甚至漏钢事故。

保护渣的熔化温度一般不应高于结晶器出口板坯的表面温度，要与钢种的液相线温度相吻合。

目前国内外使用的保护渣的熔化温度[9］（半球点）一般在l 050～l 200℃间。

2。

4熔化速度(v)和消耗量［10](Q)
保护渣的熔化速度与含碳量[c％］、钢水温度及拉坯速度等因素有关。

板坯连铸需要保护渣有较高的熔化速度,但也并非越快越好。

熔化速度应与板坯的端面尺寸、拉速、钢种配合好。

渣耗的单位“kg／t钢”或“k g／m2（结晶器壁）”,板坯连铸时必须保持一定的渣耗。

合适的渣耗可以使板坯与结晶器之间形成稳定均匀的渣膜,这对保证板坯的表面质量非常重要.板坯连铸保护渣的消耗量一般在0.4～0.7kg／t钢.沃尔夫和Ogibayashi等人根据各自的研究分别得出渣耗(Q）(单位：kg／m2）与粘度（η）和熔化速度(v)的关系式如下:
Q t=0。

7/η0.5V
Q t=0.6/η0V
3各类缺陷与保护渣的关系
3.1 纵裂与保护渣的关系
铸坯纵裂起源于结晶器初生坯壳厚度的不均匀性，一般多发于碳含量在0.1% ~0。

16%的钢种，在温度低1495℃时发生包晶反应产生相变,有0。

38％的线收缩，当弯月面温度波动过大时，使坯壳不均匀性增加造成裂纹，另外热流过大，相变引起坯壳剧烈收缩,产生的收缩应力也很容易造成纵裂。

研究证实可以通过优化保护渣的渣膜的热阻、黏度的调整、析晶温度的提高，配碳方式的选择,达到控制裂纹的趋势.
保护渣在加热过程中产生的矿相和凝固过程形成的矿相是不同的,这些矿相在析出过程中由于各自的物性差异，导致在晶界产生连续分布的孔洞,结晶温度越高，这些孔洞所占比例越高，热阻也就越高.
幅射传热对总热流的影响非常明显，因此降低幅射传热可有效控制散热量，增加渣模间接触热阻可显著降低热耗。

其值大小取决于渣壳的矿物学特性，正常情况下随着Al2O3、Na2O 含量的增加而增加，通常气隙厚度为20～50μm。

在浇注过程中,保护渣对于Al2O3的吸收对纵裂也有影响，因为当渣Al2O3的含量超过一定值后,将大大降低保护渣的结晶温度,但其临界含量与渣初始碱度有直接关系。

渣膜热阻与渣膜厚度有直接的关系，渣膜越厚，热阻越大.一般渣膜厚度大于1 mm以上，热阻才能有明显提高，增加渣膜厚度需要增加保护渣单耗。

在保证成本不增加的前提下，可以通过降低保护渣粘度的办法增加渣膜中的气孔率，达到增加渣膜厚度的目的.降低粘度的另一好处是可避免因结晶温度的提高而造成坯壳的黏结拉漏。

在生产过程中，有时会出现化学组成及矿物组成完全相同的渣，不同批次对纵裂的影响却大不相同。

通过对不同批次保护渣的水分、颗粒组成、矿相、粘度、热流、渣膜的矿物组成及碳的反应性进行的研究，发现以上各方面都不是主要因素,主要因素是渣中自由碳含量的波动变化（尤其对细颗粒碳粉)。

保护渣配碳是以碳黑、石墨或焦炭粉的形式加入,当保护渣中的碳黑含量高于2％时,在结晶器中呈双层结构；当保护渣中的碳黑低于1.5％或改用石墨，在结晶器中形成三层结构；同时使用碳黑和石墨，但碳黑的量不超过2％时,结晶器中会形成多层结构，分别是原始层或反应层、烧结层、半熔融层和熔融层.
3。

2 夹杂
通过对铸坯夹杂化学成分分析，可将其分成三类:第一类包含Na、K、Ca、Mg，、Cr,、Al、Si等元素，主要出现于低碳铝镇静钢中.因渣中Na和K,可认为与保护渣有关;第二类含Zr,、Al、Si、Mn与钢水带入的钢包渣、中间包耐材及水口的侵蚀有关；第三类夹渣仅含Al和Mn,对钛稳定超低碳钢还有Ti和Si出现，这是一类常见的铝酸盐夹杂，夹杂的形成主要是卷入钢水中或粘附在铸坯表面两种形式，液渣的卷入与渣钢界面紊流有关.
水口偏流使钢水流动不对称产生偏心流，使水口左右两侧流速不均匀，过量的氩气流及高拉速造成的液面波动均可恶化这一状况.钢水在流速大的一侧冲向渣液面又复向下，一旦液渣粘度不够,很易造成裹渣，当两侧不同流速的钢流于低流速一侧时，会合时产生的涡流又会引起卷渣。

当渣钢界面质量传递剧烈时，自发造成的紊流可使界面张力降至最小,渣膜很容易在钢中消散.相比之下,提高粘度比提高界面张力更有效。

液渣的黏附主要发生于弯月面，黏附在“钩”状坯壳表面的渣体，很容易在振痕形成过程中被压在皮下，从而形成永久缺陷,提高液渣粘度和降低渣钢润湿性可有效解决这一问题。

另外粘度的增加有助于振痕的降低,也有利于消除夹渣。

对于外来夹杂，除了控制来源及弯月面稳定性外，可以通过加大保护渣的吸收能力来解决。

3。

3 气孔
铸坯表面针孔缺陷是保护渣内的水分、碳酸盐等分解形成的,后来经过实验发现表面针孔
缺陷与保护渣内的水分、碳酸盐关联不大,而与F的高低有直接联系，所以我们认为可能是CaF2与SiO2反应生成SiF4气体，但通过热力学计算，反应的温度一般在1600℃以上，所以不可能在结晶器内发生。

实际上考虑到表面针孔缺陷是暴露于表面的缺陷,所以反应很可能是在钢渣界面上进行的，表面针孔形成的可能主要原因是保护渣中的F—在高温条件下与钢水中的Si 在钢-渣界面反应生成SiF4 气体,在结晶器弯月面附近由于冷却梯度大，SiF4 气体来不及上浮被初始坯壳所捕捉，同时因为是在钢—渣界面，所以生成的SiF4气泡阻碍了坯壳的正常形成，结果在坯壳表面就形成了暴露的小针孔。

3。

4 粘结漏钢
粘结漏钢主要是初生坯壳在弯月面与结晶器直接接触造成黏结，一旦粘结力大于凝固坯壳的强度，则坯壳于该点被拉断，如不采取措施，则很易导致漏钢。

从保护渣角度看，其起因有三：一是润滑不充分，除了原始渣不适合连铸条件外,钢水温度下降导致渣粘度提高，或吸收夹杂使渣粘度和结晶温度增加,都会造成润滑不足;二是液渣流入通道被阻,通常由渣圈长大引起。

这与保护渣熔融特性不足，绝热不良使钢液面温度过低,以及熔钢弯月面水平波动有关,水口侵蚀物或中间包渣也有助于结渣；三是渣池厚度不足，主要由原始渣熔化不充分、钢水温降过大使渣熔化速度下降及弯月面波动,难以维持液渣深度等因素造成。

除了保护渣因素外，拉速过高、拉速或液面突然变化也是引起拉漏不可忽视的原因。

提高润滑除了从保护渣性能(粘度、结晶温度、熔化速度等）入手外，结晶器的振动方式也起了一定的作用。

负滑脱振动是增加渣耗的必要条件但渣耗量由正滑脱时间控制，正滑脱时间越长，渣耗量越大。

由于减少负滑脱时间是控制振痕深度最有效的工艺措施，因此负滑脱时间做低值选择，正滑脱时间做高值选择。

采用低振幅、高频率、大波型偏斜率的非正弦振动可很好地满足这一要求，但负滑脱时间不易太小，否则易拉裂铸坯，一般维持在0。

1s左右。

当铸坯有拉漏点产生时,该处结晶器的温度升高,造成一热点，其下移速度为拉速的一半，但此热点值并不比正常连铸时结晶器的最高温度值大多少。

研究表明，热点处一般至少增厚3mm 才足以承受脱离黏结所产生的应力.坯壳的增厚可通过以下两种方法来调节，一是降低拉速(通常迅速减小一半），以保证热点坯壳迅速增厚到有足够强度,而防止坯壳的重复撕裂;二是在不降速的情况下，通过增加液面来修复，它能改变弯月面粘点处的凝壳与模壁的接触面积，降低了需要将凝壳从黏结处释放的摩擦力。

前者坯壳增厚需4～5s，从脱离到修复需大约10s；而后者修复时间明显缩短。

连铸是炼钢过程最后一道工艺,也是决定铸坯质量好坏的关键工序。

其中，铸坯表面质量问题,尤其是纵裂、黏结、夹渣、振痕等缺陷，在很大程度上就取决于所用的保护渣。

因此,性能适宜的保护渣对连铸非常重要。

同时,保护渣的使用效果又非常敏感,不但受钢种成分的影响，而且不同铸机状况、不同工艺参数,甚至操作工的操作习惯等等都会对其产生影响。

这也说明了保护渣持续研究的必要性和重要性。

参考文献：
[1]徐文派．转炉炼钢学．北京：冶金工业出版社，1988．
[2］周书才．马氏体不锈钢连铸实践．四川冶金，2002,6:19．
[3］狄林成章，等．低碳铝镇静钢浇铸粉技术的开发［J］．钢铁译文集，1989（6)：15—53．
[4］艾国强．连铸保护渣对铸坯表面质量的影响［J］．酒钢科技.2000(2）：l0—13．
［5]汪洪峰，简明．板坯连铸保护渣的选择与使用[J］．梅山科技，2004（1)：7—9．
[6］张求剑.陈会文，陶承岗．板坯结晶器保护渣的性能优化[J]．马钢技术，2003（1):2l一27．[7]饶添荣．连铸保护渣的特性及其选用[J］．上海金属．2004(2）:50一53．
［8］J．A．Kromhout，等．薄板坯连铸结晶器保护渣的选择[J]．钢铁译文集．2005（2）:13一19．［9］奚卫英,刘友荣．保护渣物理性能对铸坯质量的影响[J］．梅山科技,2003（1）：44—47．。