不锈钢连铸保护渣概述

不锈钢连铸保护渣概述
王雨 谢兵 王谦
刁江
（重庆大学材料科学与工程学院，４０００４４）
摘要：概要介绍了不锈钢的性铯特点、主要生产工艺，保护渣的设计原则，围绕提高铸坯表面质量的表面质量，论 述了连铸保护渣的优化技术路线，对几个典型生产实例做了介绍。 关键词：不锈钢，连铸坯，表面质量，保护渣
１刚舌 不锈钢是最重要而又普及的金属材料之一，由于其具有许多优良的性能．如耐腐蚀、耐磨损、耐热、耐低温、 强度高、易加工等，因此广泛用于工业及民用领域的各个方面。自１９５４年加拿大阿特拉斯公司建造了第一台不锈钢 板坯连铸机以来，不锈钢连铸技术蓬勃发展，目前不锈钢连铸比已超过９５％。高质量连铸坯生产已成为不锈钢降低 成本，提高成材率的关键…。 不锈钢中含有大量的ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ等合金元素，不同品种具有不同的凝固特性；易氧化元素多，夹杂含量高，在 连铸过程中铸坯表面多出现凹陷、裂纹、深振痕及夹渣等缺陷。这些缺陷增加了铸坯修磨量，严重降低了不锈钢的 成材率。为满足性能要求，不锈钢表面质量要求比普碳钢严格，但其本身却极易产生表面缺陷，因此不锈钢连铸必 须选择合适的连铸保护渣并严格控制其理化性能。
物。这些夹杂物成群分布在铸坯表面下，恶化铸坯质量，并易于在水口内壁聚集，造成水口堵塞，给浇注操作带来
危害。这就要求不锈钢连铸保护渣具有较强的吸收和同化夹杂物的能力，而且在保护渣吸收夹杂物后，其性能仍然 能够满足连铸工艺的要求，即保证保护渣物化性能的稳定性。
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４不锈钢表面缺陷及其对保护渣的要求
４１口坑和裂纹 不锈钢铸坯表面易产生…坑．返与钢的化学成分打咒一如幽５所示，３０４舆氏体十锈制ＮｉｌＣｒ当量＆为０ ５５， 铁索体凝固牢约为１．口坑敏感性母为强烈．４３０铁索体币锈钢则列１９坑不敏感。通常下锈钢板坯口坑№方坯严重。 Ｈ坑处不仅结品组织粗化，而Ｒ常常伴础纵裂纹产生．见罔６，易导致溶钢或漏铜事触。同时使铸坯表面平整度差． 增加铸坯袁自修噼量或剥皮々。
对低一点，因为在浇铸含钛不锈钢时，钛还与渣中ｓｉ０２发生反应，，Ｐ［Ｔｉ］＋（Ｓｉ０２）＝【ｓｉ】＋（Ｔｉ０２），降低了ｓｉ０２
含量，增加了保护渣的碱度，因此ＣａＯ／ＳｉＯｚ可以控制在０．５～０．７［７］；对于含Ａｌ较高的不锈钢，碱度不宜过低，因为 碱度低的保护渣对吸收ＡｈＯ。夹杂是不利的，因此ＣａＯ／Ｓ ｉＯ，可以大于１． ３．２保护渣熔化速度 保护渣熔化速度应与渣耗量匹配。渣耗量与拉速、结晶器振动参数、断面等有关，影响着液渣层厚度的稳定性 和铸坯传热的均匀性。在相同工艺条件下，熔化速度直接影响液渣层厚度。稳定、适宜厚度的液渣层可以保证保护 渣流入弯月面通道的连续性和形成渣膜的均匀性，其对铸坯表面凹陷和裂纹影响很大。液渣层太薄会造成液渣供应 不足，而且容易把未熔化的保护渣卷入坯壳，造成坯壳传热不均匀，凹陷倾向增加。如图１、２所示，在浇铸ＯＣｒｌ８Ｎｉ９ 钢、断面为１５０ｒｅｘ １６００衄、拉速为０．６～Ｏ．８ｍ／ｍｉｎ时，液渣层厚度稳定在１５硼左右时，凹陷出现率和纵裂长度都较 小［８］。。笔者通过试验证明在浇注２Ｃｒｌ３、１５０ｍｍ×１５０ｒｍ方坯、拉速稳定在１．３ｍ／ｍｉｎ左右时，液渣层厚度控制在８～ ｌＯｍ，铸坯表面凹陷同样大大减少。值得注意的是在不同连铸工艺和设备条件下。要求保护渣的液渣层厚度不一定 相同，应与整个连铸工艺相匹配。
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图１凹坑长度与液渣层厚度的关系
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图２凹陷出现率指数与液渣层厚度的关系
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３．３保护渣熔化温度 在相同工艺条件下，保护渣熔化温度直接影响结晶器钢液面上的液渣层厚度及结晶器与铸坯之间的固渣膜厚度， 影响结晶器内初始坯壳形成的厚度和均匀性。由于合金钢的液相线温度比普碳钢低，保护渣的熔化温度也相应地偏 低。但不锈钢用保护渣的熔化温度随钢种有很大的差异，应充分考虑钢种、钢液夹杂物和连铸工艺参数对保护渣熔 化温度的影响。 １）不锈钢用保护渣的熔化温度应充分考虑夹杂物的种类和可能进入渣中的数量。如含钛、铝、铬等的不锈钢（如 ｌＣｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ），主要含ＴｉＯｚ、Ａ１：０ｓ、Ｃｒ；Ｏ。、ＴｉＮ、Ｔｉ（ｃＮ）等夹杂物，它们进入保护渣会引起熔化温度升高，如图３所示； 此外容易析出高熔点的结晶体，破坏了保护渣的熔融特性，严重影响连铸工艺的顺行。 ２）对于易出现表面凹陷和裂纹的钢种，保护渣熔化温度应高一点，在结晶器和铸坯之间形成一定厚度而且均匀的固 渣膜，保证结晶器对连铸坯的“弱”冷却。如太钢ＯＣｒｌ８Ｎｉ９和ＯＣｒｌ８ＮｉｌｌＴｉ板坯用保护渣的熔化温度都不低于 １１００℃，否则熔化温度越低，铸坯７）采用特殊的保护渣。保护渣是影响不锈钢表面质量最重要的因素之一，针对不同钢种和连铸工艺，应采用与 其相匹配的连铸保护渣，以保证不锈钢铸坯表面质量。
３不锈钢连铸保护渣的设计原则
不锈钢连铸工艺比普碳钢复杂，浇注温度、拉坯速度、冷却制度等工艺参数要求也更加严格，保护渣的制渣工 艺和理化性能必须严格要求和控制，使其与不锈钢连铸工艺相适应。由于不锈钢的高温特性及相关连铸工艺的要求， 应严格控制保护渣的碱度、熔化温度、粘度等理化性能。 ３．１保护渣碱度
２不锈钢连铸的特点
２．１不锈钢的组成与凝固特点 不锈钢主要含镍、铬、钛等合金元素，其主要包括高镍奥氏体、高铬铁素体、对裂纹敏感的马氏体不锈钢及含 钛不锈钢。钢中的合金元素及含量的不同使其具有不同的凝固组织。铬是稳定铁素体和缩小奥氏体区的元素，足够 的铬可以使钢变成单一的铁素体。镍是稳定、扩大奥氏体和缩小铁素体相区的元素。钛作为稳定钢中碳元素，优先 与碳结合生成ＴｉＣ，达到防止镀化钛晶界腐蚀的目的。 合金元素及其加入量的不同导致不锈钢的凝固特性相差较大。有的钢种固液两相区较宽，钢的凝固组织变化较 大：有些钢种的热物理性能差别大，裂纹敏感性高，其工艺控制的重点也就不尽相同。不锈钢的铸坯凝固组织可分３ 类：１）钢液凝固形成稳定Ｙ相或６相，初生的树枝晶和二次晶界完全重合，如ＯＣｒ２５Ｎｉ２０为代表的奥氏体及１Ｃｒｌ７为 代表的铁素体；２）钢液凝固先析出Ｙ相，然后发生Ｌ＋６＋Ｙ，最后凝固成６＋ｙ，如ＯＣｒｌ７Ｎｉｌ２Ｍ０２，３）钢液凝固先析 出８相，然后发生Ｌ＋６一Ｙ，最后凝固成５＋Ｙ，如１Ｃｒｌ３、２Ｃｒｌ３或ＯＣｒｌＳＮｉ９。初生晶为５相或Ｙ相对显微偏析有 很大的差别。有害的溶质元素如［ｓ］、［Ｐ］等在６相中的扩散速度和洛解度比Ｙ相中大１００倍，因此Ｙ相显微偏析严重， 加大了钢的裂纹敏感性［２］。 ２．２不锈钢的热特性和力学性能 不锈钢的导热系数比碳素钢小，但凝固收缩量比碳素钢大，见表１，连铸的二冷强度和分布设计需充分考虑此点。 此外，不锈钢的凝固速度小于碳素钢，如在相同连铸工艺条件下，厚度１５２ｒａｍ的碳素钢板坯完全凝同约６ｍｉｎ。而相同 厚度的不锈钢板坯则需１８ｍｉｎ左右［３］。
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各组分含量，％ 图４ Ｃｒ：０。、ＴｉＯ：、ＴｉＮ对粘度的影响
图３（Ｉｒ２０３，Ｔｉｏｚ，ＴｉＮ对熔化温度的影响
３．４保护渣粘度 在相同工艺条件下，保护渣的液渣膜厚度随保护渣粘度的降低而增加，固渣膜厚度随保护渣粘度的增加而增加， 调整保护渣粘度可以改变铸坯经渣膜到结晶器的传热及铸坯的润滑，影响结晶器内初始坯壳的形成和铸坯表面质量。 保护渣粘度过小或过大都影响保护渣流入结晶器和铸坯之间的连续性和均匀性。如果结晶器和铸坯间渣膜分布 不均会严重影响铸坯传热的均匀性，使得局部凝固壳成长滞后，局部坯壳较滓。坯壳薄的部位温度比其他部位温度 高、凝固慢、凝固收缩也比别处晚，相邻地区的凝固收缩对其产生作用力，就会形成厚度不均匀的初始坯壳，容易 产生凹陷，严重时会恶化为裂纹。 由于不锈钢中夹杂物影响，保护渣吸收了高熔点的氧化物夹杂（Ｃｒｙ０３、Ａ１ ｚ０３、ＴｉＩｑ）或高熔点的复合物后粘度会 升高。如图４所示，随着Ｃｒｔ０。含量的不断增加，粘度显著升高，破坏了熔渣的玻璃态，容易析出（ＣａＯ・ＳｉＯＤ以及 （ＣａＣｒＯＤ等高熔点结晶体，在结晶器保护渣容易结壳，严重影响不锈钢的表面质量。因此在设计保护渣时，要注意 这些组成对熔渣性能的影响。 ３．５吸收夹杂能力 不锈钢中含有多种合金元素。尤其是Ａ１、Ｔｉ、Ｃｒ等元素易与氧、氮结合成Ｔｉ０２、Ｔｉ（ＣＮ）、ｃｒ舢、Ａ１：０３等复合化合
表２典型不锈钢的高温力学性能
钢 种
抗拉强度（１３００℃）胱Ｐａ
０．１２００ ０。０２４０ ０．０２４５
奥氏体不锈钢（０Ｃｒｌ８Ｎｉ９）
１Ｃｒｌ３、２Ｃｒｌ３
铁素体不锈钢
此外，不锈钢的固相线和液相线温度区间差异较大。如０Ｃｒｌ８Ｎｉ９的固相线和液相线温度相差近５６。Ｃ，而含Ｃｒ １０～ １１％的铁素体不锈钢仅仅为２５℃［４］。因此在选择连铸的钢液过热度、保护渣性能以及二冷配水时，应充分考虑凝固 温度区阃的变化。 ２．３不锈钢连铸工艺特点 （１）不锈钢连铸对钢水化学成分和温度要求严格。由于合金元素及其含量在钢水凝固过程中所起作用巨大，同时 不锈钢纯净度、均匀性、气体含量和夹杂形态等要求比普碳钢高，不锈钢连铸一般与精炼炉配套，严格控制其成分 和温度。浇注温度要求控制在较窄的范围内并保持稳定。通常钢液过热度选为３５—４０＂Ｃ，并采用大容量、深熔池的 中间包，以利于夹杂物的上浮。 （２）采用全程保护浇注，防止从空气中吸入氮、氧。主要措施有：钢包、中间包钢液面采用保温渣；大包至中间 包的钢流采用长水口，并在长水Ｄ和滑动水１３接口处采用Ａｒ封；中间包加盖并在钢液面上吹Ａｒ密封；中间包至结 晶器采用浸入式水口：结晶器液面用保护渣覆盖等。 （３）对耐火材料的要求严格。为防止耐火材料的侵蚀污染钢液，钢包、中间包、滑动水１３、浸入式水口耐火材料 有着严格的要求。如铝碳质的滑动水口使用前要认真研磨、整修、烘烤；浸入式水口的渣线部位要采用Ｚｒ０等耐腐 蚀性强的材料。 （４）振痕需要严格控制。普碳钢的振痕通常可以通过加热氧化和轧制去除，对钢材成品质量不会造成大的影响。 而不锈钢则不同，由于具有高的抗氧化性，深振痕难以在热轧中完全消除。因此，不锈钢连铸～般采用高频率、低 振幅的振动控制来减小振痕的深度。对于深度超过２００
ｐ
ｎｌ的振痕则必须修磨。
（５）电磁搅拌不可缺少。铁索体不锈钢柱状晶发达，往往热轧不能完全使其破坏而残留下来，在冷轧板板面出现 “起皱”缺陷。采用电磁搅拌可以促进凝固过程中钢液的有序流动，打破粗大的柱状晶而增加等轴晶率。 （６）铸坯需进行缓冷和表面修磨。由于凝固特性的不同，有些钢种对冷却制度有着严格的要求，需应用堆冷、进 保温坑等方法进行缓冷。马氏体不锈钢在３００℃以下会发生马氏体相变，容易产生裂纹，需加罩保温７２ｈ，缓冷至３００℃
保护渣碱度直接影响渣膜的结晶率，高碱度一般易形成高结晶率的渣膜。高结晶率的保护渣可以有效降低和控
制铸坯经渣膜向结晶器的传热；低结晶率（高玻璃性）表征渣膜的润滑性能强。对于在凝固过程收缩应力敏感的不 锈钢，保证渣膜激冷后，既有晶体又有部分玻璃相，保证照好的渣膜润滑和有效的抑制传热。研究表明ＯＣｒｌ８Ｎｉ９用 保护渣的ＣａＯ／Ｓｉ０２控制在０．９～１．１［５］，２Ｃｒｌ３的控制在０．７～０．９之间“１，可以有效地防止凹陷及裂纹的产生，保 证连铸工艺顺行和铸坯质量。 不锈钢钢液中存在大量的夹杂物和氧化物，需要通过保护渣吸收和同化。对于含钛不锈钢，保护渣碱度应该相
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表１不锈钢和碳钢的热特性
不同品种不锈钢的高温力学性能差距也很大，见表２。奥氏体不锈钢高温强度高，可采用较快拉速。１Ｃｒｌ３、２Ｃｒｌ３ 及含［Ｃｒ］１６～１８％的铁素体不锈钢在１３００＇ｃｙ抗拉强度仅为０Ｃｒｌ８Ｎｉ９奥氏体不锈钢的ｌ／５，在连铸的过程易出现凹陷 和裂纹，必须低拉速浇铸、铸坯和结晶器之间有均匀渣膜保证铸坯良好的传热与润滑。