连铸保护渣

连铸保护渣基础理论 及其应用研究的前沿与热点

♣ 二十年前，保护渣被人们认为是 “black magic” ，在那时，人们只知道保护渣的简 单作用，但没有从科学上理解保护渣是如 何发挥作用的。 ♣ 今天，在全世界冶金工作者的共同努力 下，我们对保护渣的基本功能及其基本原 理有了更为深刻的认识。

连铸保护渣的作用
1.润滑铸坯 2.控制传热 3.吸收夹杂 4.绝热、防氧化

目前，连铸保护渣研究于发展的三大前沿问题
1. 润滑与传热； 2. 吸收夹杂与侵蚀耐火材料； 3. 环境友好与控制保护渣物理性能。

1. 通过保护渣的传热与润滑
1.1 保护渣的传热性能
结晶器中的传热是非 常重要的，铸坯与结晶器 间的水平传热的良好控制 可以避免纵裂纹的产生， 纵向传热可以影响振痕深 度、针孔的形成、金属熔 池的深度、液渣向结晶器 与铸坯间通道的填充以及 润滑。

结晶器铸坯间传热

结晶器内通过保护渣渣膜的水平传热一般涉及两大 机理：
晶格传热和辐射传热
1. 有的研究者认为保护渣晶体层的存在会显著减少 辐射传热。 2. 也有人认为，晶体层的存在对结晶器/渣膜界面热 阻的影响要大于对辐射传热的影响。这是因为密度 变化导致空隙增加。

晶体控制传热的机理
• 晶体对红外电磁波的反射； • 晶体界面的不完整性对传导传热的阻力； • 密度：结晶相 > 玻璃体

• 结晶时产生收缩，导致了：
– 晶体内存在缩孔 – 结晶器侧渣膜表面粗糙－等同于 产生气隙 – 有时，气隙的产生不是由于钢的 收缩而是保护渣渣膜的收缩。

渣膜的构造

浇铸中碳钢、低碳钢用保护渣及其结晶率对热阻的影响

关于红外热辐射
• 有时红外辐射传热的比例会达到50%; • 研究得出辐射传热系数kR可用下式表述(当αd＞3，α为 吸收系数，d为渣膜厚度)：
16 σn T kR = 3E
2
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• 式中，σ为波尔兹曼常数，n为折射指数(一般为1.6)，T为 温度(K), E为消光系数或液体渣膜及玻璃态渣膜的吸收系 数。

消光系数对于通过渣膜的水平传热， 是一个非常关键的参数，通常受到渣膜的 结晶率的控制。结晶率非常高的渣膜的辐 射传热系数将会降到传导传热系数的10 ~20%左右。 但如果晶体层不存在的话，辐射传热 系数还会大于传导传热系数。因而，在目 前的研究条件和应用条件下，渣膜中存在 部分结晶层是控制辐射传热的有效手段。

• 如前所述，由于渣膜的收缩，在结晶器/渣膜界面 将会出现气隙，由气隙产生的热阻将会显著影响 水平传热，同时也就等同于增加渣膜的结晶率及 渣膜厚度。 • 因此影响通过渣膜水平传热的主要因素有：渣膜 厚度(决定于渣膜的结晶率、导热率、凝固温度、 转折温度)和结晶器/渣膜界面热阻(取决于结晶率 和渣膜厚度)。

1.2 保护渣的结晶性能
• 保护渣结晶性能是保护渣渣膜控制传热的非常重要的参 数。一般来讲，保护渣的
凝固温度Ts、析晶温度Tc、转折温度Tb
是影响结晶器润滑与传热的重要物性。 • 关于保护渣组份与Ts、Tc和析晶率关系的研究中，碱度 (CaO/SiO2)、Li2O、BaO、SiO2、CaO、Al2O3对Ts、Tc和 析晶率的影响，各研究者得到的结论基本一致，即：提高 碱度，Ts、Tc升高，保护渣的结晶倾向增大，故降低保护 渣碱度能抑制晶体的析出。

各种组分对结晶温度Tcr的影响

碱度对结晶温度的影响

• 凝固温度(Ts或Tc)一般可由差热分析方法求 得。有文献报道, 由DTA得到的凝固温度一 般等同于转折温度，但有时比转折温度要 高80℃。渣膜的厚度随转折温度的增加而 增加，这一发现可以用于控制水平传热。

裂纹敏感 性钢种应该使 用转折温度较 高的保护渣， 而黏结性钢种 以及易鼓肚钢 种应该使用具 有低转折温度 的保护渣。其 他钢种则需使 用转折温度在 这两者之间的 保护渣。 转折温度与粘度的关系

•
渣膜中结晶物质的量取决于渣中的化 学组分，可用时间－温度－转变曲线 (TTT)。 • TTT曲线可由金相法以及热电偶法 (HTT)确定。结晶组分的分数及数量 可以通过光学显微镜法确定。 • 该项技术的优点在于实验中的试样量 很少，可以达到很大的冷却和加热速 度，这样的冷却速度类似结晶器中渣 膜所经历的状况。因而可以用于确定 保护渣的TTT曲线。

TTT curves obtained through double hot thermocouple technique: (a) 45% CaO, 41% SiO2, 7% Al2O3, 7% Na2O; (b) 44.5% CaO, 44.5% SiO2, 4% Al2O3, 7% Na2O; (c) 39.6% CaO, 40.9% SiO2, 6.9% Al2O3, 9.6% Na2O, 1% CaF2; (d) 44% CaO, 44% SiO2, 7% Al2O3, 5% Na2O and 43% CaO, 43% SiO2, 7% Al2O3, 7% Na2O

在高温下形成等轴晶(A型)； 从每一个热电偶上生长出的柱状晶(B型)； 多面体晶(C型)； 在较高过冷度下可观察到非常细小的晶体(D型)。

在结晶器中，固态 渣膜在很高的冷却 速度下形成。图中 的黑色小方块处可 以确定有晶体析 出，在冷却速度大 于15℃/s的条件 下，即使从TTT曲 线预测有晶体析 出，但仍能得到全 玻璃态相。
连续冷却曲线同TTT曲线的比较