保護渣對結(jié)晶器熱流分布的影響

吳軍

（新疆八一鋼鐵股份有限公司第二煉鋼廠， 新疆　烏魯木齊　600581）

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保護渣對結(jié)晶器熱流分布的影響

吳軍

（新疆八一鋼鐵股份有限公司第二煉鋼廠， 新疆烏魯木齊600581）

結(jié)合生產(chǎn)實踐，通過現(xiàn)場試驗研究了結(jié)晶器保護黏度、堿度與結(jié)晶器熱流密度的關系。結(jié)果表明：對澆鑄Q235系列鋼種，選用堿度為1.30、黏度為0.132Pa·s的保護渣，可使縱裂率降至0.9%。

保護渣結(jié)晶器熱流縱裂

結(jié)晶器保護渣主要為Al2O3、SiO2、CaO系硅酸鹽。根據(jù)CaO-SiO2-Al2O3三元系相圖，確定保護渣的基料是在硅灰石的組成范圍內(nèi)含有少量的Al2O3的渣系，具有一定的熔點、黏度以及吸附Al2O3夾雜的能力。保護渣在連鑄生產(chǎn)中起到隔絕空氣保溫、防止鋼液二次氧化、吸附夾雜及滿足坯殼與結(jié)晶器銅板間潤滑等作用，同時對控制坯殼生長與促進結(jié)晶器間傳熱有一定作用。可見保護渣性能優(yōu)劣對連鑄生產(chǎn)的穩(wěn)定、鑄坯表面質(zhì)量等有很大影響[1]。保護渣的主要性能指標有黏度、堿度、熔化溫度、熔化速度、結(jié)晶溫度等，這些性能與保護渣的化學成分及所對應的鋼種有很大關系。在連鑄時，鋼從鋼液轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，在結(jié)晶器中的傳熱是最重要的控制環(huán)節(jié)。傳熱過快或不均勻，將導致鑄坯的縱裂；傳熱不充分導致薄的坯殼易于鼓肚并拉漏。不同鋼種對熱流大小的要求是不同的。隨著拉速的提高，熱應力變得更加敏感，而傳熱將直接影響到連鑄的正常生產(chǎn)，故保護渣渣膜對熱流的控制極為重要[2]。

八鋼第二煉鋼廠針對Q235表面縱裂問題，在2012年3—5月間，對使用的國內(nèi)某廠的板坯保護渣進行了系列試驗，通過研究保護渣的堿度、黏度對結(jié)晶器熱流、鑄坯表面裂紋率、結(jié)晶器漏鋼預報系統(tǒng)頻繁報警的影響，確定與現(xiàn)場生產(chǎn)工藝相匹配的保護渣。

1　工藝條件

鋼種為Q235，斷面為1 510 mm×220 mm，拉速v=1.1～1.5 m/min，鑄機半徑為9 m，振動方式為液壓振動，振動頻率f=70+70v，振幅為3.5mm。

2　鑄機參數(shù)（見表1）

表1　鑄機參數(shù)

3　影響因素分析

八鋼第二煉鋼廠在澆鑄Q235系列鋼種中出現(xiàn)的問題有：保護渣在結(jié)晶器內(nèi)鋼液表面上渣條頻繁出現(xiàn)，結(jié)晶器報警系統(tǒng)易報警，帶鋼表面出現(xiàn)縱裂。為此，對渣條及保護渣進行檢驗，發(fā)現(xiàn)質(zhì)保指標中w(Al2O3)為2.65%，而渣條中w(Al2O3)高達12.6%。這說明保護渣在澆注過程中由于大量吸附了鋼水中的Al2O3后出現(xiàn)變性。在對保護渣樣測定時發(fā)現(xiàn)，在升溫過程中，部分低熔點的物料先行熔化并流失。所以，一方面應適當控制渣中的Na2O和CaF2等助熔劑來降低渣的黏度和熔點，避免或減少槍晶石等高熔點物質(zhì)的析出，防止其破壞熔渣的玻璃性；另一方面，加入適量的Li2O、MgO、BaO、B2O3、K2O等助熔劑以抑制由于保護渣吸附了夾雜物后帶來的渣膜變性問題，減少渣條的頻繁出現(xiàn)，使渣系在使用過程中保持良好的穩(wěn)定性。本文對此作了相應的研究，如圖1、圖2所示。

圖1　Li2O含量對黏度的影響

圖2　BaO含量對熔點的影響

由圖1可知：隨著Li2O的增加，熔渣黏度大幅度降低，w(Li2O)每增加1%，其黏度降低0.32P。這說明Li2O對渣的軟化溫度、黏度影響大。隨著Li2O的增加，熔渣出現(xiàn)明顯的拐點，結(jié)晶率增加。因此為獲得低熔點、低黏度的具有玻璃潤滑性的熔渣須控制Li2O的加入量（質(zhì)量分數(shù)）在4%以內(nèi)。

由圖2可知：適量BaO的加入可降低熔渣的熔化溫度，起助熔劑的作用。礦相檢驗表明：含BaO較高的渣有較多的玻璃質(zhì)，而且有玻璃光澤，渣的透明度隨BaO的增加而增加。說明適量BaO的加入有助于提高渣的玻璃化程度。另外渣中析出的結(jié)晶量也隨BaO加入量的增加有所減少，因此BaO的加入可保證在相同堿性下獲得好的玻璃性，可保證結(jié)晶器熱流曲線的穩(wěn)定性，減少漏鋼報警頻次。BaO合適的加入量（質(zhì)量分數(shù)）為1%～3%。

通過改變NaO、F等熔劑成分來調(diào)整渣的熔化性能，并參照保護渣的黏度經(jīng)驗公式[3]lgη=lgA+B/T，對根據(jù)理論及經(jīng)驗所得的幾種不同的黏度和堿度保護渣作了對比分析試驗，實驗結(jié)果如表2所示。

式中：η為黏度，Pa·s；lgA=-2.307-0.046x(SiO2)-0.07x(CaO)-0.041x(MgO)-0.185x(Al2O3)+0.035x(CaF2)-0.095x(B2O3)；B=6807.2+70.68x(SiO2)+32.58x(CaO)+ 312.65x(Al2O3)-34.77x(Na2O)-176.1x(CaF2)-67.4x(Li2O3)+ 59.7x(B2O3)；T為熱力學溫度，K。

表2　保護渣對熱流密度及裂紋率的影響

4　實驗結(jié)果及分析

從表2看出：隨著保護渣堿度的提高，結(jié)晶器熱流密度值減小，裂紋率整體呈下降趨勢，漏鋼報警次數(shù)呈上升趨勢。堿度從1.25上升到1.32，裂紋率從4.2%下降到最低值0.9%；堿度持續(xù)升高后，裂紋微有升高，結(jié)晶器漏鋼報警次數(shù)增多。結(jié)晶器熱流值的大小由保護渣晶體結(jié)構決定，結(jié)晶器漏鋼預報警頻繁則表現(xiàn)為熱流曲線不平穩(wěn)，而熱流曲線不平穩(wěn)主要是由于液渣在結(jié)晶器內(nèi)鋪展不均勻或固態(tài)渣膜摩擦力大引起的。影響熱流值的因素有保護渣堿度、黏度、渣膜的厚度、渣膜的導熱系數(shù)等，本文主要從保護渣堿度、黏度的匹配對表面裂紋的影響進行討論。

保護渣堿度是反映熔體結(jié)構的指標，對保護渣的結(jié)晶特性和保護渣的凝固行為影響很大，直接關系到保護渣的導熱性能和潤滑性能，是衡量保護渣特性的重要指標。固體渣膜與結(jié)晶器間的界面熱阻來源于保護渣渣膜的形態(tài)，保護渣結(jié)晶和凝固產(chǎn)生一定的變形，結(jié)晶層厚度增大，界面熱阻增大，使結(jié)晶器與鑄坯之間平均傳熱速率減小，從而減少縱裂。保護渣堿度直接影響渣膜的結(jié)晶率，高堿度渣會形成高結(jié)晶率的渣膜，高結(jié)晶率的保護渣可以有效降低和控制鑄坯經(jīng)渣膜向結(jié)晶器的傳熱，使鑄坯坯殼生長均勻，避免裂紋的產(chǎn)生，特別是包晶鋼，裂紋敏感性強，要求保護渣有適當高的堿度。從表2看，堿度從1.25上升到1.30，結(jié)晶器熱流密度值從1.432 MW/m2減小到1.374MW/m2，裂紋率從4.2%下降到最低值0.9%。這是因為隨著保護渣堿度的升高，其析晶率提高，熱阻變大，鑄坯坯殼緩慢冷卻，生長均勻性得到提高，其表面縱向裂紋率也就得到了有效的控制。當堿度繼續(xù)升高到1.32時，裂紋率有所升高。這是因為堿度提高后其析晶率也提高，固態(tài)渣膜的摩擦力增大，結(jié)晶器熱流密度不均勻，于是就出現(xiàn)了裂紋率從0.9%上升到1.5%，同樣從結(jié)晶器漏鋼報警次數(shù)上也可看出因熱流曲線不平穩(wěn)而導致漏鋼報警次數(shù)明顯增多的情況。

保護渣結(jié)晶礦相也影響潤滑與傳熱。例如產(chǎn)生大量霞石（Na2O·Al2O3·2SiO2）時摩擦力急劇增大，黏結(jié)漏鋼發(fā)生幾率增大；而產(chǎn)生鈣黃長石時黏結(jié)漏鋼發(fā)生幾率則下降。各種礦物具有不同的導熱系數(shù)，其次序為：結(jié)晶相>玻璃相；硅灰石（CS）>鈣黃長石（C2AS）>尖晶石>霞石（NAS2）。

增大堿度，使CS相區(qū)減小，而尖晶石和霞石相區(qū)擴大，因此降低熱傳導系數(shù)，使結(jié)晶器熱流減小，從而減少了縱裂。

在澆鑄低合金鋼過程中，保護渣液渣吸收鋼中Al(S)等氧化物、碳化物或氮化物后，黏度等特性會發(fā)生較大變化，改變結(jié)晶器角部銅板的熱流密度，顯著惡化初生坯殼的冷卻和潤滑條件，導致摩擦力增大和應力集中，二冷擴展而產(chǎn)生角部橫向裂紋，在薄弱處產(chǎn)生凹陷甚至表面縱裂紋。因此，為了提高保護渣的吸附夾雜能力，防止其黏度發(fā)生較大變化，使液渣導入均勻，無需挑渣條，維持傳熱均勻和潤滑性好，使坯殼均勻緩冷，避免表面缺陷，應選擇合適的黏度。

通過研究鑄坯表面質(zhì)量和摩擦力與拉速v關系得出：隨著拉速的增加，黏度降低。拉速v和黏度η的乘積v·η影響結(jié)晶器導熱均勻性即影響初生坯殼厚度均勻性，故而對縱裂有很大影響，并且當v·η=1.5～3.5時，導熱不均勻指數(shù)ΔT≤10℃（當ΔT=20~30℃時，表明導熱不均，容易產(chǎn)生縱裂），可獲得好的冶金效果，如圖3所示。由此得出保護渣的黏度為1.0～2.0P。

保護渣的傳熱系數(shù)隨著保護渣黏度的增加而降低。黏度大的保護渣形成的渣膜中玻璃相占絕大部分，液渣膜很薄；黏度小的保護渣渣膜厚度增加，傳熱系數(shù)也就相應變大；同時，黏度增加，也可使結(jié)晶器和保護渣間氣隙增大，同樣使保護渣傳熱系數(shù)變小[4]。在結(jié)晶器熱流曲線上表現(xiàn)為：熱流曲線不穩(wěn)定，結(jié)晶器熱能量值忽高忽低，保護渣的熱阻隨著黏度的增加而增加。因為保護渣的熱阻與它的傳熱系數(shù)成反比。

圖3　v·η與導熱不均勻性指數(shù)的關系

結(jié)合表2分析，在較低堿度1.25時，由于熱流密度大，鑄坯冷卻較快，鑄坯與結(jié)晶器的間隙較大，液渣在結(jié)晶器和鑄坯間導入均勻，同時堿度低，玻璃相成分較多，鑄坯與結(jié)晶器間的摩擦力小，固態(tài)渣膜不易脫落，故其熱流曲線平穩(wěn)，結(jié)晶器漏鋼報警系統(tǒng)報警次數(shù)幾乎為零，但是因為其熱流密度大，坯殼冷卻強度大，故其裂紋率較高，達到4.6%。

從表2看出：在低堿度條件下，當堿度在不大于1.28時，黏度的大小對熱流曲線的平穩(wěn)度影響較大，對裂紋率影響較小，高黏度時固態(tài)渣膜摩擦力小，熱流曲線平穩(wěn)，結(jié)晶器漏鋼報警系統(tǒng)不會發(fā)生報警現(xiàn)象；在堿度高于1.28時，當熱流曲線不平穩(wěn)，熱流密度不均勻，會影響到裂紋率的高低。

綜合以上因素并結(jié)合現(xiàn)場使用效果，選擇堿度為1.30、黏度為0.132Pa·s（1300℃時）的保護渣，裂紋率降到0.9%，大幅提高了鑄坯成品率。

5　結(jié)論

1）從理論上研究保護渣堿度、黏度對結(jié)晶器熱流分布的影響，并結(jié)合生產(chǎn)應用，有效控制板坯的裂紋率，并選擇保護渣堿度不小于1.25的保護渣。本文選擇最佳堿度為1.30。

2）減少結(jié)晶器漏鋼報警的發(fā)生頻次，應控制好保護渣的黏度不發(fā)生大的變化，特別是吸附夾雜后液渣不變性，黏度穩(wěn)定。本文同時選用Li2O、BaO作助熔劑，選擇黏度為0.132Pa·s的保護渣。實驗結(jié)果表明：選用堿度為1.30、黏度為0.132Pa·s的保護渣，縱裂率減小到0.35%，大幅度提高了鑄坯的成品率。

[1]遲景浩，甘永年.連鑄保護渣[M].沈陽：東北大學出版社，1993.

[2]蔡開科.連鑄技術的進展[J].煉鋼，2001，17（3）：6-14.

[3]Pinheiro C A，Samarasekera I V，Brimacombe J K.Moldfiux for continuous casting of steel(I)[J].I&SM,1995，22（1）：43.

[4]申俊峰.連鑄坯質(zhì)量與結(jié)晶器保護渣[J].冶金譯叢，1999（1）：54.

（編輯：胡玉香）

Influence of Physical-chemical Properties of Mold Slag on Heat Flux in the Mold

WU Jun
（Second Steel Mill，Xinjiang Bayi Iron&Steel Co.，Ltd.，Urumqi Xinjiang 600581）

The relationship of the viscosity,basicity and the heat flux density of mold is studied through on-site experimental in combination with the production practice.Results show that in casting the Q235 steel,the occurrence rate of the longitudinal cracking can be reached 0.90%if the basicity and viscosity is 1.30 and 1.32 P.

mold powder，heat flux in mold，longitudinal crack

TF703.6

A

1672-1152（2016）02-0022-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.02.08

2016-03-14

吳軍（1975—），男，從事連鑄技術工作，工程師。