不锈钢连铸保护渣

不锈钢连铸保护渣

【摘要】连铸保护渣对连铸工艺的顺行起着至关重要的作用，本文介绍了连铸保护渣的发展历程、连铸保护渣的成分及作用，重点阐述了不锈钢连铸保护渣在不锈钢生产中的重要性、不锈钢生产中常出现的“冷皮”等问题，并提出了不锈钢连铸保护渣成分选择的依据。

【关键词】连铸，保护渣，不锈钢，TiO2

1引言

自连续铸钢技术成功的应用于钢铁冶金过程，便迅速的取代了模铸，成为连接炉外精炼和金属凝固成形的重要环节。而连铸工序的顺行与连铸坯质量的提高，和连铸保护渣的应用密切相关。在连续浇注时，中间包与结晶器的保护浇注是在结晶器保护渣和浸入式水口的共同配合下实现的，二者任缺其一都不能都不能得到质量合格的铸坯，所以结晶器保护渣现在已经发展成为了一门专门的技术。

2保护渣的发展历程及不锈钢连铸保护渣

2.1连铸保护渣的发展历程

自首次采用保护渣进行保护浇注至今已经接近50年时间，保护渣技术不断发展，保护渣的功能和在连铸工艺中的地位也日益得到各国连铸工作者的高度重视，各国纷纷对保护渣进行多方研究，以开发出适合各国国情的保护渣，从而使铸坯质量不断改善提高。当前，我国钢铁年产量已经超过7亿吨，连铸比也达到98%以上，保护渣的需求占世界首位，，所以对不同钢种保护渣的研究刻不容缓。

纵观保护渣的发展历程，可以发现连铸保护渣的发展主要经历了以下的几个过程[1]：

20世纪60年代为保护渣的初步开发和探索应用阶段；70年代是保护渣的研究和应用比较活跃的时期；80年代，由于高速连铸及直接轧制等技术的发展，带动了保护渣研究和应用的进一步发展；90年代，是保护渣的研制理论进一步成熟和制造技术飞跃发展的时期，围绕微合金钢、不锈钢等钢种、高拉速连铸无缺陷铸坯的要求进行了丰富的设计，保护渣的品种进一步丰富，同时计算机辅助设计技术也开始应用到保护渣的开发设计之中。

当前，主要是围绕无氟保护渣、超低碳钢保护渣等特殊保护渣进行更深层次的研究。

2.2不锈钢连铸保护渣

特殊钢是衡量一个国家科技发展水平的一个标志，当前我国在普碳钢的生产方面已经达到世界先进水平，但是在合金钢和特殊钢的生产上差距还很大。其中不锈钢便是一个典型的代表，2010年我国不锈钢产量已经接近1000万吨，产量居世界各国之首，但是仅能够生产特定牌号的钢种，很多特殊用途的不锈钢如海洋石油钻井平台的双相不锈钢、超高纯铁素体钢的生产，与欧洲国家还有很大的一段距离。

当前不锈钢生产的连铸比已经接近100%，所以高质量不锈钢的生产与连铸

工艺密切相关，而连铸保护渣的作用则功不可没。针对当前不锈钢连铸过程中出现的水口结瘤、TiN等造成的不锈钢“冷皮”以及保护渣对钛化物夹杂的吸收等作用，还需要更深层次的研究。

3连铸保护渣的成分

保护渣的融化温度、黏度、表面张力、界面张力等物理化学性质与其化学成分密切相关，当前多以硅酸盐相图作为选择保护渣化学组成的理论基础，其中应用最广泛的便是CaO-SiO2-Al2O3三元相图，如图1。在此相图中，有一个以假硅灰石为基本相态存在的区域，成分为：30~50%的CaO，45~60%的SiO2、<20%的Al2O3。其它保护渣可以选择以CaO-SiO2-Al2O3渣系为基础的预熔渣作为基料，同时加入其它的组分对其熔化温度和黏度进行调整。

为了适应不同钢种的特点，对不同的连铸保护渣的性能要求也不同，不同类型的保护渣其化学成分相差也很大。通常而言，保护渣中的化学成分包括：CaO、SiO2、Al2O3、Na2O、K2O、B2O3、BaO、FeO、CaF2、TiO2炭粒以及有害成分磷、硫等[1]。

图1 CaO-SiO2-Al2O3三元相图

典型的保护渣化学成分如表1所示。

3.1不锈钢连铸保护渣的成分

不锈钢中由于含有易于氧化的元素Ti、Al、Cr等易氧化元素，生成的高熔点化合物使钢水发黏。当渣吸收这些夹杂达到一定的程度时，渣的熔点和黏度显著升高。破坏了熔渣的玻璃态，同时析出硅灰石CS、钙钛矿、铬酸钙等高熔点化合物，使结晶器保护渣结壳。

所以为了达到特殊要求，设计不锈钢连铸保护渣时需要添加特殊元素，如Cu、Mo、Ti、Si等，不锈钢连铸保护渣的典型渣系是CaO-SiO2-Al2O3-Na2O-CaF2。

4 连铸保护渣的作用机理

连铸保护渣作为结晶器和铸坯之间相互作用的介质，对于不锈钢的连铸工艺和铸坯质量至关重要。图2所示的即为连铸保护渣在结晶器中的行为[2]，由图可见，连铸保护渣在结晶器中主要以三层状态分布，分别为液渣层、烧结层和粉化层，每一层的厚度与分布对连铸而定顺行及夹杂物的去除都有着至关重要的影响。

连铸保护渣的冶金功能主要包括以下5个方面：

1) 绝热保温

连铸保护渣可以防止结晶器内钢液表面凝固，提高弯月面温度，保证液渣层的存在，维持渣流通道等。

绝热保温作用主要通过粉渣层来实现，它与连铸保护渣的配碳方式和配入量有关。

2) 防止钢液二次氧化

结晶器内钢液面上稳定的渣层结构可以隔绝空气与钢液的直接接触，避免钢液二次氧化的发生。因此，连铸保护渣应该迅速形成液渣层，并均匀地覆盖在钢液面上。

图2 连铸保护渣在结晶器中的行为

3) 溶解吸收上浮到渣金界面的非金属夹杂物[6]

连铸保护渣必须具有吸收非金属夹杂物的能力，如果上浮到渣金界面的非金属夹杂物不能被连铸保护渣溶解收吸，就会在钢液面上聚集，改变液渣层的性能，影响连铸保护渣的润滑作用，而且夹杂物如被卷入坯壳中会形成铸坯表面和皮下夹杂缺陷。

4) 控制结晶器和铸坯之间的润滑

连铸保护渣的润滑作用是决定铸坯能否顺利从结晶器拉出的关键。连铸保护渣的润滑作用主要受渣膜的厚度和均匀性的影响。

5) 控制结晶器与铸坯之间的传热

连铸结晶器与铸坯之间存在巨大的温度梯度，铸坯凝固过程中热量传递的速度和均匀性决定了铸坯的质量。在结晶器与铸坯间形成均匀的渣膜可以有效控制热量向结晶器传递的速度和均匀性，防止裂纹产生，改善铸坯质量。

5不锈钢保护渣中TiN、Ti(C,N)化合物的生成及危害

在连铸含钛不锈钢过程中，由于含钛不锈钢钢水粘稠且含有[Ti]和[Al]等易氧化元素，容易在结晶器内的渣金界面形成冷皮，其反应方程式如下[3]：

[Ti] + [N] = T iNΔG = -326208. 6+ 88. 06T J/mol ( 1)

[Ti] + 2[O] = TiO2ΔG = -587175. 6+ 197. 75T J/mol ( 2)

2[Al] +3[O] = Al2O3ΔG =-1226832+ 390T J/mol (3)

冷皮的形成使连铸保护渣的冶金功能受到抑制，导致铸坯表面缺陷增加，严重时会引起漏钢事故，因此，冷皮是影响连铸生产的最主要问题。根据相关文献的检测分析结果可知，冷皮的物相结构主要包括[5]：TiN、TiC、SiO2、Al2O3、CaO、CaO·TiO2、MgO·Al2O3、TiO2、单质硅、气孔等，即高熔点化合物-保护渣-气泡组成的混合体。目前没有相关研究针对其生成条件及生成机理进行分析研究。由于冷皮的结构复杂且直接影响连铸生产的顺利进行，应从钢液、连铸保护渣以及渣金界面反应三个方面进行全面系统的分析研究，从而得到冷皮的生成条件及生成机理，为解决连铸含钛不锈钢过程中的冷皮问题提供理论支持。

6含TiO2不锈钢保护渣的优化设计

不锈钢连铸保护渣对不锈钢的表面质量等有很大的影响，针对不同类型的不锈钢，在对其保护渣进行设计时要进行特殊考虑[1]。例如铁素体不锈钢保护渣的设计就要充分考虑防止二次氧化的问题，而设计马氏体不锈钢保护渣则需要考虑含碳量，双相不锈钢不锈钢保护渣的设计需要充分考虑润滑性。

由于“冷皮”的生成，所以不锈钢连铸保护渣还需要充分考虑对TiN、Ti(CN)杂质的吸收问题。

7结论

本文对连铸保护渣的发展历程、成分及作用机理进行了简单的介绍，并着重