不同连铸工艺及品种的保护渣技术特征2

3. 中碳钢板坯连铸保护渣

根据钢水凝固特征，国际上通常将钢中[C]≈～％的钢种称为中碳钢，而在我国，则将[C] ≈～％的钢种划入中碳钢之列，但不论怎样划分，中碳钢在我国目前连铸生产品种中所占比例最高，此外，不少中碳低合金钢亦归入此列。由于中碳钢特殊的凝固特性，铸坯表面容易产生纵裂纹、星状裂纹等典型缺陷，针对这类问题，结晶器保护渣必须采取不同于低碳和超低碳钢的特殊对策，才能保证无缺陷铸坯的工业化生产。

裂纹敏感性包晶钢板坯连铸保护渣

对于[C]=～%的钢种，凝固过程中发生包晶反应，结晶器弯月面以下50mm区域初生坯壳收缩大，晶粒粗大（如图24，图25），初生坯壳生长不均匀，易产生裂纹，这是包晶钢裂纹敏感的主要原因。为此，许多研究者通过模型计算和实验检测分析了结晶器

热流量与铸坯纵裂纹的关系，指出在弯月面下部

45mm处，对于低碳钢，当热流密度超过

×106W/m2, 对于中碳钢，当热流密度超过

×106W/m2时，铸坯表面裂纹指数急剧增大，

铸坯易出现表面纵裂纹（见图26）。因此，在实

际生产中一方面减弱结晶器水冷强度，另一方面

主要通过采用结晶体状态的保护渣。

国内外目前倾向于采用高碱度保护渣，通

过：①减少透明玻璃体达到减少辐射传热；②结晶体内的微孔和界面极大地削弱晶格振动，从而减弱传导传热，达到减缓传热和减少裂纹的目的。但是，当保护渣碱度过高，析晶温度过高时易严重恶化铸坯润滑状况，导致铸坯粘结和漏钢，连铸生产被迫采用降低拉坯速度的技术路线，这使得连铸机生产率和产能降低20%～30%；如何协调好玻璃体和结晶体的比例，这在国内外许多连铸生产中都还没有得到妥善解决。

为了开发出对中碳钢连铸工艺适应性强的结晶器保护渣，必须针对上述问题，综合分析

保护渣主要组份对结晶性能和玻璃化特性的综合影响情况，在此基础上，才能设计保护渣配方。

3.1.1 保护渣组成与结晶性能和玻璃化特性的基本关系

为了弄清和明确保护渣组份对其结晶行为的影响规律，本研究首先采用化学纯试剂配制渣样（见表16），采用旋转粘度计测试保护渣在1300℃下的粘度，并在降温条件下测试保护渣粘度－－温度曲线关系。根据粘度－－温度曲线，采用回归方法确定保护渣冷却过程中最大粘流活化能变化值max?E及其对应的转折温度Tc, 测试粘度后的熔渣注入金属模内自然冷却（所有渣样重量和冷却条件相同），冷凝后的渣样用显微镜观察其断口形貌，测试结晶体和玻璃体比例，并用半球点法测试保护渣熔化温度。

表16 实验研究用渣样基本组成（重量比）

渣号CaO SiO2CaF2Al2O3MgO Na2O R(CaO/SiO2)

7566

36407566

No.2a364010566

364013566

No.2c364016566

364019566

38387566

377566

7566

7566

7566

7566

表16中各渣样半球点熔化温度为1112～1180℃，1300℃下的粘度为～, 该参数与许多实际生产中使用的保护渣的熔化温度、粘度值相近，说明在表16所示组成范围内，研究保护渣结晶性能，其结果对实际生产具有参考价值。

（1）连铸保护渣玻璃化特性和结晶性能的概念

填充于铸坯坯壳与结晶器壁间隙内的保护渣，主要作为拉坯过程的润滑剂和铸坯向结晶器的传热介质。为了充分发挥保护渣的润滑功能以减低拉坯阻力, 除采用合理的结晶器振动参数，还要求与铸坯接触的渣膜处于液体状态，通过液体润滑以最大限度地减小铸坯受到的摩擦力。这不仅要求保护渣在1300℃下具有较低的粘度，而且要求保护渣在冷凝过程中粘度变化缓慢，避免高熔点固相质点析出而使粘度急剧升高。即希望保护渣粘度随温度的变化关系与玻璃的粘度随温度变化关系相似，这类保护渣冷凝后具有与玻璃相似的非晶态结构。鉴于此，粘度－－温度曲线关系特征和凝固渣样中玻璃体比例，

（a ）玻璃化特性良好的保护渣 （b ）结晶性能良好的保护渣

图27 保护渣粘度－－温度关系曲线

即保护渣的玻璃化特性，来表征保护渣的润滑能力。玻璃性好，意味着保护渣的润滑功能强。如图22所示，对不同渣样的粘度－－温度曲线用阿伦尼乌斯公式进行回归，可得出粘流活化能变化最大值max?E 及其对应的粘度－－温度曲线转折温度Tc 。利用max?E 和Tc 及凝固渣样中玻璃体比例可分析比较保护渣的玻璃化特性。

与玻璃化过程相反的结构变化行为就是结晶或析出晶体。结晶性能是保护渣冷凝过程中析出晶体的能力，包括结晶温度和结晶比例。因为通过保护渣渣膜的传热主要有辐射和导热两种方式，渣膜中结晶体比例增多，不仅透明度降低而减少辐射传热，而且结晶层由于温度梯度而出现微裂纹，可进一步减少传导传热。因此，通过提高保护渣的结晶性能，可控制或削弱结晶器内初生坯壳的凝固传热强度。这种功效有助于减少某些钢种的铸坯裂纹缺陷。

显然，通过提高结晶温度虽可提高保护渣的结晶性能，但玻璃性能恶化，不利于高拉速下的铸坯润滑。只有协调好玻璃化特性和结晶性能之间的矛盾关系，才能满足中碳钢等裂纹敏感类钢种的高速连铸工艺对保护渣的基本要求。 （2）碱度对保护渣玻璃化特性和结晶性能的影响

根据化学成分的不同表述形式，通常将连铸保护渣碱度分别表示为二元碱度

)

(%)

(%2SiO wt CaO wt R =

和综合碱度)

(%]

)78/56([%22SiO wt CaF CaO wt R +=

∑。从图28

可知，随着碱度升高，保护渣冷

凝过程中最大粘流活化能变化值不断增大，表明保护渣玻璃化特性减弱，图29结果进一步表明，保护渣冷凝后玻璃体减少，结晶率增大。当碱度R 大于，保护渣中开始析出晶体；二元碱度R 达到～，综合碱度?R 达到时， 保护渣结晶率达到30～60%，最大粘流活化能变化值升高趋势减缓，说明在这种碱度值下保护渣已基本丧失玻璃化特性，从图30可看出，当保护渣碱度大于，保护渣粘度－温度曲线的转折温度超过1200℃，这将出现图2(b)所示的现象，易导致液态渣膜急剧减薄，铸坯得不到充分的润滑，易发生漏钢事故，这在国内外的许多连铸生产中已得到证实。因此，片面强调提高保护渣碱度以加强结晶能力而控制铸坯凝固传热的方法并不可取。为协调保证铸坯的润滑和控制传热，

温度曲线转折温度的关系

(a) 碱度R=CaO/SiO 2 (b) 综合碱度 ?R=[CaO+(56/78)*CaF 2]/SiO 2 图28 保护渣碱度与最大粘流活化能变化值的关系

(a) 碱度R=CaO/SiO 2 (b) 综合碱度 ?R=[CaO+(56/78)*CaF 2]/SiO 2

图29 保护渣碱度与结晶率的关系

在表16所示的组成范围内， 可将二元碱度R 种条件下保护渣粘度－—温度曲线的转折温度约1130～据该结果，要求保护渣碱度变化范围较窄， （3） CaF 2对保护渣玻璃化特性和结晶性能的影响 在二元碱度R 为的渣样基础上，分别外加不同含

量的CaF 2，测试结果表明，随CaF 2含量增加，保护渣最大粘流活化能变化值增大（见图31），

玻璃化特性减弱。当CaF 2含量大于13%，渣样冷凝过程中析出晶体（见图32），当CaF 2含量超过15%，粘度－温度曲线转折温度超过1200℃。因此，在渣样的组成条件下，为了协调保护渣玻璃化特

图32 CaF 2含量与保护渣结晶率的关系 图33 CaF 2含量与转折温度的关系

图31 CaF 2含量与保护渣最

大粘流活化能变化值的关系

性和结晶性能，CaF2含量只能在13～15%这一较窄的区间内进行调节。CaF2含量过高，不仅使Tc超过1200℃而导致保护渣丧失润滑功能，而且在结晶器钢液面上熔渣层对水口的侵蚀加剧，不利于多炉连浇和连铸生产的顺行。

(4) 特殊组份对保护渣玻璃化特性和结晶性能的影响

从前述实验结果可知, 仅调节保护渣碱度和CaF2含量, 还不能充分协调保护渣玻璃化特性和结晶性能之间的矛盾以有效发挥保护渣的润滑和控制传热功能。随着碱度升高和CaF2含量增加, 保护渣结晶性能增强, 玻璃化特性恶化，因此，碱度和CaF2含量只能在一较窄的范围内折中调节，这种限制无疑给保护渣的成分控制和生产增加了难度。为解决上述弊端，只有在增加保护渣结晶率的同时降低析晶温度和转折温度，才能在保证润滑的前提下加强对铸坯凝固传热的控制。

根据协调保护渣玻璃化特性和结晶性能的上述要求，采用合成方法制得了特殊组分（简称comp）。随组分comp含量的增加，保护渣结晶体比例增加，粘度—温度曲线的转折温度降低（见图34和图35），当comp含量超过4％后，结晶体比例的增加趋势和转折温度Tc的降低趋势均趋于平缓，由于该组分价格较高，实际应用中可控制保护渣中comp含量为2～4％。

图34 com含量与保护渣结晶率的关系图35 com含量与转折温度的关系

3.1.2 保护渣组成与传热特性的关系

为了通过保护渣有效控制中碳钢凝固过程中的冷却强度，不仅要了解渣样组成与结晶性能和玻璃化特性的关系，还应综合考虑组成与渣膜传热特性的作用规律，才能正确地设计这类钢种的保护渣。

由于测试保护渣凝固过程中传热特性这一工作在国内其他单位尚无先例，无现成方法和设备装置，因此，本项目结合重庆大学进行的一些前期工作，采用图36所示装置检测保护渣冷凝过程中的导温系数，在此基础上，分析和协调保护渣组份与传热特性的关系。

二硅化钼炉

熔渣漏斗

上平板

下平板熔渣不锈

钢容

器

定位

器

热电偶

调节水平螺钉

微型计算机

数据采

集系统

图36 保护渣导温系数测定装置示意图

实验研究除考查了前述碱度、CaF2、comp组份对传热的影响情况外，还进一步分析了TiO2、SiC、CaSi这些外加组份对导温系数的作用规律。

图37和图38表明，在650～1000℃温度范围内，增加碱度和CaF2均使渣膜导温系数缓慢降低，对渣样作矿相分析发现，在碱度和CaF2含量较高时，渣膜中析出Ca4F2Si2O7 Ca2SiO2F2晶体，结晶态渣膜在减弱热传导方面发挥了重要作用。但如前所述，过高的CaF2含量会使析晶温度急剧升高，恶化铸坯润滑条件。

而综合分析图34、图35和图39可发现，在增加合成组份comp的情况下，渣膜润滑特性在得到改善的条件下，导温系数不仅没有增加，反而大幅度减小，说明采用合成组份comp使渣膜润滑与传热功能得到较好的协调。显然这种模式在裂纹敏感性包晶钢保护渣中具有极大的应用价值。研究还发现TiO2、SiC只有在促进渣膜析晶能力的情况下才能减缓结晶器内的传热，CaSi与氧化性组份反应放热也可减弱渣膜的传热能力，但其相关机理和控制模式尚需进一步研究。

3.1.3 保护渣的工业性试验

根据实验室研究结果，采用不同保护渣浇铸Q215、Q235，A船、B船、D船等[C]含量在～％的钢种(化学成分见表17)，跟踪调查，在连铸工艺条件基本一致的情况下，统计和分析铸坯表面清理情况与保护渣特性的关系，发现铸坯表面纵裂纹指数与保护渣析晶比例之间呈现图40所示规律，当保护渣析晶比例大于60%，铸坯表面纵裂纹大幅度减少，在析晶比例大于80% 后，长度超过150～200mm的表面纵裂纹基本消除，部分微小裂纹与浇铸操作和铸机设备状况相关。但是，当采用以提高析晶温度来提高析晶比例的传统方法时，为维持70％以上的析晶比例，析晶温度往往超过1190℃，浇铸过程中结晶器内粘结现象频繁发生，易诱发漏钢事故。将析晶温度控制在1140～1170℃，析晶比例在85～95％范围内时，可获得良好的铸坯质量和顺行的浇铸工艺。

经过初试、中试，确定出表18所列的LMBB-1保护渣作为扩大试验用渣，达到了较好水平。但由于钢水条件较差易导致浇铸操作不稳定，铸机设备状况不佳等因素，对于上述裂纹敏感性包晶钢，要生产无缺陷铸坯还需从工艺和设备方面作进一步改进提高。另一方面，从表18可看出，LMBB-1各成分允许波动范围比前述低碳钢和超低碳钢保护渣成分波动范围小得多，这就要求严格控制保护渣生产工艺，提高保护渣生产设备的装备和监控水平。

表17 裂纹敏感性包晶钢典型钢种化学成分

图40 保护渣析晶比例对铸坯

表面裂纹缺陷的影响

表18 裂纹敏感性包晶钢板坯连铸

中碳低合金钢板坯连铸保护渣

中碳钢微合金化可大幅度提高其强度和韧性等物理力学性能，增加品种和拓宽钢材的应用范围。但是，在钢液凝固过程中，不同的合金元素其固溶或析出行为不一样，对铸坯的高温力学性能特别是与发生裂纹缺陷的强度、塑性等性能都有不同程度的影响。

通常情况下，根据产品用途可将板坯连铸生产的中碳低合金钢分为高强度低合金钢和中高碳低合金钢两类。本研究所涉及的钢种主要是：

a．高强度低合金钢

[C]含量＝～％, 外加Mn, V, Nb, Ti, Al, Mo 等钢种，如16Mn，16MnR, HP295, 20g(锅)，X52，X60等，凝固坯壳高温塑性低，在冷却强度过大、冷却不均匀的情况下热应力大、或初生坯壳受到的外在摩擦阻力大，容易产生晶间裂纹，在后续轧制工序中，若压下量较小，裂纹不能焊合，在钢板上易形成龟裂（拉裂）。这种缺陷在生产中厚板时更容易出现。解决这类缺陷的有效手段之一是采用Ni渡层结晶器。但保护渣的正确选用亦不可忽视。这类钢种保护渣的主要任务在于保证润滑、适当降低传热强度。若采用低碳钢类的低碱度保护渣，结晶器热流密度偏大，铸坯上容易出现纵裂纹（其长度较包晶钢铸坯纵裂纹短），而采用浇铸包晶钢的高析晶率的保护渣，由于在结晶器下部渣膜破裂，连续性差，造成不均匀传热加剧，微裂纹加重。因此，这类钢种的保护渣析晶温度较低，一般低于1130℃, 析晶体比例在小于40%, 由此保证铸坯的润滑，同时通过提高保护渣熔化温度和粘度，增加渣膜厚度达到减弱传热的功用。

b．中高碳（[C]=～%）低合金钢

[C]=～%的钢种，在欧美等国将其归入高碳钢类，我国称其为中碳钢，一方面，这类钢种脆性区较宽，在二冷不合适的情况下本身易产生皮下微裂纹，另一方面，当加入Cr、Mo、V、Nb、Ti、Al、N等微合金元素后，析出强化相, 如15MnVN, 40Cr, 30CrMoV, 2Cr13，使得微裂纹加剧。保护渣的主要任务也是适当控制传热和保证铸坯润滑，在这两项功能上，其技术特征与高强度低合金钢保护渣的特征相似，但是，这类钢种合金元素含量较高，保护渣还应具有较强的吸收夹杂的能力。

以16MnR为代表，采用表19中的各种保护渣进行对比试验，统计铸坯表面纵裂纹清理情况和钢板轧制后微裂纹引起的报废情况，结果见图41。其中，是16MnR原用生产渣，结晶器内壁未进行镀Ni处理，虽然通过该渣较高的碱度和析晶能力抑制了铸坯表面纵裂纹的发生，但从1999年初到2000 年3月，国内许多生产中厚板的连铸厂家，由于使用（已将保护渣供应商提供的产品标号替代为），轧材钢板由于微裂纹造成的报废率高达20～30%.

表19 中碳低合金钢板坯连铸保护渣试验渣组成及性能

图41 保护渣对16MnR铸坯表面纵裂纹与钢板微裂纹废品率的影响针对上述问题，采用镀Ni结晶器，并试验了～保护渣，从图41看出，随保护渣碱度降低，析晶比例Rc逐渐趋于0，即保护渣玻璃化特性得到改善，轧材钢板微裂纹明显减少，、4生产的铸坯轧材后由微裂纹引起的报废率低于％，但由于4碱度过低，铸坯表面纵裂纵裂增加，因此，从综合协调传热和润滑的角度来看，更适宜用作16Mn 系列等中碳低合金高强度钢的保护渣。

根据上述结果，在重钢等钢厂进行了工业试验，试验渣由重庆志达实业有限公司生产。铸坯断面分别为240×1400mm、200×1200mm、170×1000mm，拉坯速度为～1.2m/min，保护渣组成及性能见表20。从2000年7月开始，ZDHB－1已用于重钢工业化大生产之中，为重钢连铸生产优质顺行提供了重要保障。

表20 中碳低合金钢板坯连铸保护渣工业性试验用渣组成及性能

4. 稀土处理钢板坯连铸保护渣

在生产耐候集装箱、焊瓶钢、管线钢等许多高强度低合金钢时，都通过结晶器喂丝的方法向钢中添加稀土元素。金属稀土及其氧化物对熔渣性能都有较大影响。在连铸09CuPTiRE 等稀土处理钢时,铸坯表面裂纹很多, 常发生拉漏事故。研究结果表明碱度大于时，稀土氧化物量的增加使熔化温度、粘度升高，且稀土氧化物在渣中的熔解度较小；碱度小于时稀土氧化物量的增加使熔化温度、粘度降低，其在渣中的熔解度较大。

在浇铸HP295等稀土处理钢时，由于钢种表面纵裂纹敏感性较弱，可采用较低的保护渣碱度CaO/SiO2，稀土氧化物RexOy在3-10%含量范围内有一定助熔作用, 随RexOy含量增加，保护渣粘度降低，熔化温度变化不大，因此，针对这种情况可适当提高保护渣熔点和粘度，削弱保护渣粘度降低造成的铸坯质量问题。

但是，大部分连铸稀土处理钢，其[C]含量处于～%的亚包晶区域，铸坯裂纹敏感性强，为减少铸坯裂纹采用高碱度（CaO/SiO2大于）保护渣时，渣中RexOy含量增加, 保护渣结晶温度急剧升高，是导致粘结性漏钢的主要原因。为了协调这种矛盾，一方面必须加强连铸操作技术管理，减少稀土处理钢中的Al2O3等脱氧产物含量，避免液面翻动和泛红造成大量稀土丝氧化进入熔渣，尽量减少进入保护渣的稀土氧化物；另一方面必须开发出具有结晶体比例较高和开始结晶温度较低的保护渣。采用Li2O等低熔点碱性组分或对渣膜进行着色处理可收到较好的效果。重庆大学开发的ZTXB-1保护渣（见表21），在重钢浇铸09CuPTiRe、12CrMoV、15CrMoR等钢种，收到了较好的效果，已投入工业化应用。

表21 09CuPTiRe钢板坯连铸保护渣组成及性能

但是，有关稀土钢连铸保护渣的研究还不完善，特别是在高析晶度的前提下，如何提高稀土氧化物在熔渣中的饱和溶解度和均匀分布程度等内容，还需进行深入的探索工作。

5. 普碳钢方坯连铸保护渣

Q235、20MnSi是小方坯连铸生产最多的品种，其连铸保护渣技术比较成熟，本文不再赘述。此处仅针对国内许多厂家利用方坯铸机，在高效化的同时开发附加值较高的品种时，所遇到的相关保护渣问题作简要探讨。

低碳焊条焊丝钢连铸保护渣特点

低碳焊条焊丝钢组成特点：

1）[C]含量低，P, S等元素偏析小，初生坯壳强度高，铸坯振痕较深，易出现凹坑缺陷；2）酸溶Al含量低（Al含量高对焊接性能不利），钢中[O]含量较高，易出现皮下气孔或针孔；

3）钢中[O]含量较高，钢－渣界面张力小，钢渣分离困难，易出现表面和皮下夹杂。

因此，要求：

1）保护渣保温性好，以利于提高弯月面处的温度，促进钢－渣分离，减少铸坯夹杂缺陷（使用空心颗粒保护渣有利于提高保温性）。

2）保护渣熔化温度不能过低，否则易出现凹坑缺陷，在浇注120×120～150×150的小方坯，拉速为～3.5m/min的条件下，保护渣熔化温度为1130～1170℃；

3）保护渣水分含量低，甚至可加入部分还原材料，以减少或避免皮下针孔；

4）中间包采用覆盖渣+碳化稻壳覆盖剂，避免碳化稻壳与钢水直接接触引起钢水增碳。5）应注意结晶器内水口对中，避免液面严重翻卷，稳定结晶器液面和拉坯速度。

高碳钢方坯连铸保护渣特点

如U71Mn, PD3, 70, 80B, 82B，这类钢种钢水凝固过程中P, S偏析较大，由于这些组分特点，连铸过程中易出现下列问题：

★由于P, S偏析，初生坯壳强度低，在钢水静压力作用下坯壳和结晶器接触紧密, 拉坯过程中坯壳受到的摩擦阻力大，坯壳易与结晶器壁粘结，导致粘结漏钢；

★坯壳与结晶器壁接触良好，传热能力强，坯壳生长较快且相对均匀，初生坯壳出现裂纹的几率较小，但坯壳之间重接能力差，在坯壳连接处容易发生拉脱甚至漏钢；

★凝固过程中柱状晶发达，铸坯中心区域C, P, S等偏析严重，造成铸坯内部组织成分偏析、疏松严重；

★凝固组织基体中易出现马氏体，若冷却强度过大易出现内裂；

★铸坯低温强度高、韧性及变形能力差，易出现矫直裂纹和发生矫直断裂，应控制铸坯矫直温度。

因此，在浇铸高碳钢时，为保证连铸工艺顺行，除合理控制结晶器振动参数外，还应注意结晶器内水口对中，避免液面严重翻卷，稳定结晶器液面和拉坯速度。方坯连铸流数较多，由于中间包底部变形等因素，常造成中包浇口与结晶器不对中，插入结晶器的水口歪斜，导致坯壳生长不均匀，局部受到钢流冲刷，易出现坯壳变形和漏钢。在采用分段式水口的情况下，上下水口接缝处应注意密封，否则大量空气吸入，易造成液面翻卷，不仅严重干扰液态保护渣的均匀流入，造成铸坯润滑不良而发生漏钢，而且卷渣严重，铸坯表面和皮下夹渣较多，在高线轧制生产中断线频率增加。另外，在拉坯速度变化和结晶器液面波动较大的情况下，铸坯表面接痕增多，接痕谷部易出现裂纹，该因素亦是造成高线轧制生产中断线频繁的重要原因。而对于浇注轴承钢、钢轨钢等品种，避免不合理的结晶器流场引起铸坯夹渣的意义还不仅在于保证工艺顺行，更重要的作用在于保证产品质量及其稳定性。在稳定上述设备及操作条件下，最关键的问题就是通过保护渣促进铸坯的润滑，减小拉坯阻力。

针对不同钢种的大方坯和小方坯连铸工艺，德国乔治玛利公司对连铸保护渣性能进行系统试验和优选。在表22所列钢种和连铸工艺条件下，对比分析了各种国产商用保护渣和试验渣（组成性能见表23）的使用效果。

表22 方坯连铸高碳钢成分

表23 高碳钢方坯连铸试验用保护渣组成及性能

表24 高碳钢连铸坯表面质量调查结果

※注：铸坯原始合格率的确定方法为：人工观察切割后的铸坯内弧表面情况，未发现缺陷的铸坯为合格铸坯，铸坯原始合格率=（抽检铸坯总支数－缺陷铸坯支数）/抽检铸坯总支数×100%.

从表24数据可知，, , 浇注的铸坯表面质量较差，这三个保护渣在结晶器内的行为均表现出渣条较多，而且硬度高，在结晶器液面波动较大的情况下，铸坯表面出现大量嵌渣，并且保护渣使用过程中漏钢率最高达%，这些现象均与保护渣碱度、粘度和熔化温度过高、铸坯润滑不良有关。和在浇注过程中虽然渣条较少，但当钢液面降低时，结晶器壁上的渣膜不易脱落，因此铸坯表面仍有部分夹渣缺陷。和保护渣熔化均匀性好，一方面碱度较低有利

于形成润滑能力较强的玻璃体渣膜，另一方面保护渣中含有MgO和其它熔剂，有利于稳定熔渣性能，因此，铸坯表面质量较好。在铸机提速条件下，保护渣已在～3.4m/min的工作拉速下正常使用。

综合前述情况，可归纳出高碳钢方坯连铸结晶器保护渣的主要特点：

a.保护渣玻璃化特性好，碱度较低，一般CaO/SiO2?;

b.保护渣熔化温度不能太高，在浇注120×120～150×150断面的铸坯时，保护渣半球点

熔化温度一般取值在1100～1160℃之间；

c.为保证铸坯的润滑，保护渣消耗量不能太低，在浇注120×120～150×150的小方坯，

拉速为～3.0m/min的条件下，消耗量一般为～0.65Kg/T 钢，熔渣层厚度5～10mm, 保护渣1300℃下的粘度3～5泊；不能片面追求减少水口渣线侵蚀而提高保护渣粘度；

d.渣条（圈）少，避免形成硬渣条，以减少卷渣和嵌渣的危险性。

20管钢连铸保护渣特点

生产20管钢加Al量较高，在许多冶炼炉和精炼设备容量较小的情况下，钢水中夹杂较多，在保护渣浇铸效果不佳的条件下，Al2O3和AlN夹杂进一步增加，它们使得铸坯在穿管工序中产生细小的纵裂纹（俗称发纹）。这种缺陷在铸坯上表现为皮下微裂纹，当铸坯在一冷、二冷中冷却强度过大、冷却不均匀时，或在结晶器内拉坯摩擦力较大时，微裂纹缺陷加剧。因此，浇铸这类钢种时，要求保护渣对铸坯既要有较好的润滑特性，又要适当控制其较低的传热强度。由于方坯断面较小，润滑与传热的矛盾没有板坯连铸Q215等钢种时那么尖锐。通常，将20管方坯连铸保护渣（见表25）碱度（CaO/SiO2）控制在±范围内、取较高的熔化温度和粘度，有利于减少微裂纹的发生。

表25 20管方坯连铸保护渣组成及性能

6. 合金钢和特殊钢方坯连铸保护渣

方坯连铸生产的合金钢和特殊钢种类繁多，此处主要讨论其成分或氧化产物对保护渣物性影响较大的钢种。而象GCr15，虽然是一类重要的合金钢（轴承钢），但从保护渣设置的角度来看，可将其并入高碳钢之中。

高铝钢方坯连铸保护渣

典型的高铝钢如E2钢（见表26），它是一种耐氯离子腐蚀能力强、广泛应用于化工行业的钢种，钢中[Al]高达～％，浇铸前后保护渣中SiO2和Al2O3含量发生大幅度变化（见表27），由于渣中（SiO2）被[Al]还原而减少，若保护渣组成设计不当，则会在结晶器内析出大量高熔点物（如钙铝黄长石2CaO·Al2O3·SiO2, 熔点1596℃；枪晶石3CaO·2SiO2·CaF2, 熔点1450℃；霞石Na2O·Al2O3·SiO2 , 熔点1526℃），这些析出物在钢—渣界面和结晶器内铸坯表面的渣膜中以固相质点出现，嵌入初生坯壳形成“麻点”状夹杂/夹渣，增大拉坯阻力导致拉裂和漏钢。

表26 E2钢化学成分

表27 浇铸E2钢的保护渣使用前后典型成分变化情况

为保证保护渣具有较强的吸收夹杂能力，宜采用高碱度高玻璃化连铸保护渣理论控制保护渣组成，该理论认为：

（1）采用“多组分，各组分含量相当”的配渣原则，通过多组分混合效应、逆性玻璃效应和两性氧化物转化为网络形成体，促进高碱度高玻璃化保护渣熔体的生成；

（2）在高碱度高玻璃化熔渣多组分的条件下，CaO/SiO2表示的碱度已不能全面反映熔渣的碱性特征，这类熔渣的碱度可由下式表示：

F=%mol(Li2O+Na2O+3B2O3+ZnO+2CaF2+3Al2O3+2TiO2+CaO+BaO+MgO+

2SiO2)/%mol(2B2O3+2Al2O3+SiO2+TiO2)

高碱度高玻璃化熔渣的碱度F≥3，熔渣在与结晶器壁侧冷却条件相似的情况下冷凝后

其矿相组织中玻璃体比例大于90%；其典型实例是SiO2含量为5%wt的渣样（见表28）。

表28 高碱度高玻璃化熔渣的组成(%wt)性能特征

（3）高碱度高玻璃化熔渣的结构处于环状、群状和岛状硅酸盐范畴，可大量吸收夹杂物，Al2O3、TiO2夹杂物进入熔渣中可起到“造链”作用，参与熔渣网络的形成，熔渣结构向链状、层状和架状硅酸盐转化，玻璃性得到改善。

运用于生产实际的高铝钢连铸保护渣典型成分及性能见表29，在采用分段式水口的情况下，铸坯表面原始合格率达到%，若采用整体水口，减少钢水氧化，还可进一步提高铸坯质量。

表29 E2钢保护渣组成及性能

含钛不锈钢和齿轮钢

含硫易切钢

含硫易切钢中 [S] 高达～%，[O] 高达200～300ppm，结晶器弯月面处[S]、[O] 含量比上述平均含量更高。由于钢水成分的这一特殊性，对连铸工艺和相关技术都提出了新要求。工业生产中，除控制合理的钢水成分、温度制度和铸坯冷却制度外，提高耐材质量和开发专用的结晶器保护渣也是开发含硫易切钢连铸技术的重要环节。合适的含硫易切钢连铸保护渣应消除弯月面处[S]、[O] 引起的结晶器液面渣团和铸坯表面及皮下裂纹和气孔，最终获得优质铸坯。为实现这一目标，通过实验室和生产实验研究，对含硫易切钢连铸保护渣进行了以下的初步探索。

（1）结晶器内钢??渣界面特征

连铸结晶器内保护渣与钢液作用，钢??渣界面特性对铸坯表面质量有着重要影响，在结晶器弯月面处钢??渣界面张力可表示为：

?m-s=?m - ?s cos? (1)

式中：?m-s?钢渣界面的张力, dyn/cm;

?m?钢的表面张力, dyn/cm;

?s?熔渣表面张力, dyn/cm;

??钢渣润湿角.

结晶器内钢液弯月面半径?为：

?＝×10-2[?m-s / (?m-?s)]（2）

式中：??弯月面半径，cm

?m、?s?分别为钢、渣密度，g/cm3

由于[S]、[O] 是钢中表面活性元素，根据计算可知，含硫易切钢钢液表面覆盖着一层FeS 、FeO，从文献数据和方法可得知表1 所示的含硫易切钢1500℃时的表面张力?m?860dyn/cm, 而20 钢表面张力则为1358dym/cm。

为模拟保护渣与硫化物作用后的界面特性，本文在实验室向表2 所示成分的保护渣中外加FeS，用气泡最大压力法测定熔渣表面张力（结果见表3），表3 还列出了用、渣浇铸含硫易切钢后结晶器渣圈样的表面张力。

表3 FeS 对保护渣1500℃时表面张力（单位：dyn / cm）的影响

从表3 可知，、渣随FeS 含量增加熔渣表面张力σs 增大，而的表面张力随FeS 增加呈下降趋势，其原因还有待于进一步研究。浇铸后渣圈样的表面张力相近，这说明用实验数据进行计算时对实际生产也具有指导意义。

通常熔渣都会润湿弯月面和铸坯表面，即润湿角?为：0 ???90?，设弯月面处

钢 的 密 度 为?m=7.4g/cm3 , 熔 渣 密 度 ?s 为2.3g/cm3, 利 用 表3 及 前 述 钢 种的 表 面 张 力 数 据 和 式（1）、（2）， 可 以 计 算 出 钢 渣 界 面 张 力 和 弯 月 面 半 径（ 见 表4）。

表4 数 据 说 明， 浇 铸 含 硫 易 切 钢 时， 钢 渣 界 面 张 力 降 低， 弯 月 面 半 径 变 小， 易 诱 发 振 痕 谷 部 裂 纹。 不 仅 如 此， 一 些 保 护 渣 在 结 晶 器 液 面 出 现“ 絮 团” 结 块 现 象， 经 取 样 分 取， 发 现“ 絮 团” 中FeS 、FeO 含 量 高 并 含 有 金 属 铁， 这 表 明“ 絮 团” 是 由 于 钢 渣 界 面 张 力 减 小， 钢 渣 分 离 性 差 而 由 钢 渣 混 卷 所 引 起 的。 当 保 护 渣 粉 渣 层 保 温 性 差 时，“ 絮 团” 现 象 加 剧。 为 此 需 采 用 合 适 的 保 护 渣 ， 增 加?m-s , 降 低 弯 月 面 处 钢 中 [S]、[O] 含 量。

（2）FeO 、FeS 对 保 护 渣 熔 融 特 性 的 影 响

在 表2 所 示 的 保 护

渣 基 础 上， 外 加FeO 、FeS ， 测 定 保 护 渣 半 球 点 熔 化 温 度T 半和1300℃ 时 的 粘 度?1300℃（ 见 表5）。

表5 FeS 、FeO 对 保 护 渣T 半（℃）/?1300℃（泊） 的 影 响

从 表5 可 知， 保 护 渣 中 加 入FeS 、FeO 后， 熔 渣 粘 度 变 化 不 大， 说 明 浇 铸 前 后 保 护 渣 熔 融 特 性 基 本 上 稳 定， 因 此， 在 设 计 含 硫 易 切 钢 保 护 渣 时， 可 忽 略FeS 、FeO 对 保 护 渣 熔 点、 粘 度 的 影 响。 (3) 保 护 渣 中 添 加 还 原 剂

根 据 还 原 脱 硫 的 基 本 原 理， 向 保 护 渣 中 加 入 还 原 剂 是 可 以 降 低 结 晶 器 弯 月 面 处[O]、[S] 的 含 量 的。 但 并 不 是 所 有 还 原 剂 都 可 加 入 保 护 渣 中， 应 遵 循： a ． 还 原 剂 不 能 恶 化 保 护 渣 性 能 及 增 加 铸 坯 缺 陷； b. 还 原 剂 不 能 污 染 钢 液 和 恶 化 钢 质；

c. 在浇铸过程中还原剂不能污染环境；

根据上述原则，在实验室测定了不同还原剂对保护渣熔点、粘度和玻璃性能的影响，并通过钢—渣接触实验用探针发分析了钢渣界面处钢样表面和皮下[S]、[O] 降低情况，在这些实验研究的基础上，选出了碳质材料和一种复合型金属还原剂（有关实验数据见表7、表8）。

*注 : 成分见表2；M 指复合金属还原剂；G为保护渣玻璃化指标。

※

※注：含量指数：以+M 对应的钢中[S]、[O] 为基准的探针

分析结果相对值。

金属还原剂加入渣中虽然使熔渣粘度增大，但保护渣性能仍在连铸工艺许可范围内。生产实验进一步证实了含有金属还原剂的HLYF-1保护渣对含硫易切钢连铸工艺具有较强的适应能力，在拉坯速度为～1.7m/min下，浇铸180×180mm断面的Y15L含硫易切钢，结晶器液面状况良好，无“絮团”现象，铸坯表面无明显缺陷，酸洗后亦未出现针孔及其它缺陷。

表9 含硫易切钢连铸保护渣组成及性能