五礦營鋼板坯鑄機保護渣選型理論分析

馬仲群， 李廷剛， 鄭 偉， 陳 勇， 李常學(xué)

（五礦營口中板有限責(zé)任公司， 遼寧 營口 115000）

保護渣的使用作為連鑄工藝的主要組成部分，選取類型是否合理直接影響板坯表面質(zhì)量的好壞。五礦營口中板責(zé)任有限公司（以下簡稱營鋼）在冶煉普碳鋼與中碳鋼的過程中始終存在一些問題，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，保護渣的選型使用存在不合理因素，需對保護渣的理化指標(biāo)進行優(yōu)化以改善板坯表面質(zhì)量、保證生產(chǎn)順行。

1 保護渣使用過程中出現(xiàn)的問題

由于鑄機及鋼種需求不同，營鋼3臺板坯連鑄機使用的保護渣均不相同，同一保護渣在不同鑄機及鋼種上也存在一定的差異，營鋼現(xiàn)有保護渣在使用時存在渣條生成快、渣條較多、渣耗偏低存在漏鋼風(fēng)險等問題，如圖1—圖4所示。

圖1 渣條形貌

圖2 保護渣結(jié)塊

圖3 漏鋼預(yù)報畫面不穩(wěn)定

圖4 保護渣板結(jié)

2 保護渣優(yōu)化理論分析

保護渣的選型一般以生產(chǎn)鋼種碳含量進行判斷，當(dāng)生產(chǎn)鋼種有合金的加入時，可以使用碳當(dāng)量（Ceq）進行計算，計算公式如下。

根據(jù)公式及鋼種特點可將鋼種劃分為超低碳鋼和低碳鋼（碳當(dāng)量≤0.08%）、包晶鋼（0.08%＜碳當(dāng)量＜0.15%）、中碳鋼（0.15%≤碳當(dāng)量≤0.25%）、高碳鋼（碳當(dāng)量＞0.25%）、特殊鋼（高鋁、高鈦鋼、高碳高合金鋼等）等五類鋼種。不同鋼種所需保護渣特性情況如下頁表1所示。

結(jié)合營鋼生產(chǎn)的現(xiàn)場情況筆者針對普碳鋼與中碳鋼的鋼種特點進行了大量的研究分析工作以找出合適的保護渣優(yōu)化方案。

2.1 普碳鋼系列

營鋼生產(chǎn)的普碳鋼系列，通常w（C）為0.15%～0.22%，基本不含其他合金元素，鋼種在凝固的過程中，內(nèi)應(yīng)力及裂紋敏感性小，通常使用較高的拉速生產(chǎn)，常規(guī)斷面最大拉速可達到1.2 m/min。

表1 不同鋼種保護渣的特性

高拉速生產(chǎn)時，要保證足夠的液態(tài)渣流入到鑄坯坯殼和結(jié)晶器銅板之間，確保足夠的潤滑和消耗，防止漏鋼事故，通常對保護渣的黏度要求較低，理論上保護渣消耗要求到達0.35 kg/t以上，目前營鋼使用的保護渣消耗約為0.42 kg/t，滿足使用要求。但營鋼普碳鋼保護渣存在結(jié)塊及渣條生成過快、過多的情況。有研究表明[1]保護渣的致密化起始溫度和致密化速率對保護渣的燒結(jié)情況影響較大，保護渣的致密化速率高或致密化起始溫度低，都會使保護渣的燒結(jié)傾向增大，易產(chǎn)生渣條。筆者在同一種保護渣內(nèi)配入不同含量的碳質(zhì)材料其致密化速率隨溫度變化的關(guān)系如圖5所示。由圖5可得在相同溫度下體積密度變化速率隨碳含量的降低而升高，w(C)提高到8%時隨著溫度的變化體積基本不會減小。因此可以認(rèn)為當(dāng)保護渣w（C）為8%時，生產(chǎn)過程中不會產(chǎn)生渣條。分析原因可得，隨著含碳材質(zhì)平均粒度增大，材質(zhì)顆粒之間存在的間隙也隨之增大，優(yōu)先析出的液相相對不足，無法將顆粒間間隙填充，從而對保護渣體積影響相對降低。

圖5 渣條與致密化起始溫度Tq及密度變化值的關(guān)系

圖6 堿度對熱流密度的影響

2.2 中碳鋼（低合金、包晶鋼）系列

中碳鋼系列屬于裂紋敏感性鋼種，凝固過程中處于包晶區(qū)，有研究表明[3]，收縮最大的溫度區(qū)間為固相線以下20～50℃之間。此時處于結(jié)晶器彎月面處的新凝固的初生坯殼隨溫度下降而發(fā)生轉(zhuǎn)變，體積收縮較大，最大可達到0.38%。初生坯殼收縮大，晶粒粗大，結(jié)晶器與坯殼間產(chǎn)生氣隙，造成傳熱不均勻，從而導(dǎo)致初生坯殼生長不均勻，在熱應(yīng)力和鋼水靜壓力作用下，坯殼薄弱部分產(chǎn)生應(yīng)力集中直接導(dǎo)致了裂紋缺陷的產(chǎn)生。

針對此鋼種特點，保護渣在選用時重點考慮控制結(jié)晶器傳熱，采用結(jié)晶器弱冷方式，使鑄坯冷卻均勻，穩(wěn)定生長。控制傳熱應(yīng)選用熔點高的保護渣，利用結(jié)晶質(zhì)膜中的氣隙，使保護渣的傳熱速度減緩，有助于減少鑄坯在冷卻過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。板坯保護渣熔點一般為1 050～1 200℃[1]，建議保護渣在選用時按照偏上限控制。筆者對不同堿度的保護渣進行了熔點測定，堿度為1.3的保護渣為1 190℃，接近保護渣熔點上限。

除提高保護渣的熔化溫度，還可通過控制結(jié)晶相的析出也可改善坯殼與結(jié)晶器壁之間的熱傳遞，隨著結(jié)晶相的析出、長大，使結(jié)晶器與坯殼間的固態(tài)渣膜中產(chǎn)生孔洞，降低渣膜的傳熱作用，阻礙橫向的溫降，減少裂紋的發(fā)生頻率。增加渣中結(jié)晶相析出主要是提高析晶溫度，減少結(jié)晶器中散出的熱量，而提高析晶溫度主要采取提高保護渣的堿度來調(diào)整。有研究表明[2]，保護渣堿度R在0.8～1.1時，熱流密度呈增加的趨勢；當(dāng)堿度大于1.1時，熱流密度開始下降；當(dāng)堿度R在1.2時，渣膜中有氣孔出現(xiàn)，表面粗糙度很大，可有效地降低界面熱阻。堿度與熱流密度之間的關(guān)系如圖6所示，由圖6可得當(dāng)堿度R＞1.3時，堿度對熱流密度影響較大。由以上分析可得營鋼冶煉中碳鋼時應(yīng)將保護渣堿度R控制在1.3左右，可同時獲得較合適的熔點與熱流密度。

在控制結(jié)晶器傳熱的同時，還應(yīng)注意保護渣黏度的控制，黏度低，保護渣液渣流入過多，渣膜厚，導(dǎo)致坯殼與結(jié)晶器壁之間的渣膜不均勻，易產(chǎn)生裂紋，如果過高，影響保護渣的流入，對潤滑不利。理論上黏度η與拉速V的關(guān)系應(yīng)滿足η與V的乘積在0.10～0.35范圍內(nèi)，包晶鋼保護渣黏度取乘積中上限為宜。對比發(fā)現(xiàn)，前期使用的保護渣黏度為0.175 Pa·s，乘積為0.16，較營鋼現(xiàn)在使用的黏度為0.11 Pa·s左右的保護渣效果好，建議將保護渣的黏度增大至0.18 Pa·s[3]。

3 結(jié)論

以上述分析為基礎(chǔ)，針對營鋼中碳鋼種、普碳鋼種保護渣使用過程中存在的問題，筆者提出相應(yīng)的優(yōu)化方案，具體如下：

1）適當(dāng)增加普碳鋼類保護渣中的碳含量可改善保護渣燒結(jié)層，減少渣條的形成，根據(jù)前文所述，w（C）應(yīng)增加至8%以上。

2）中碳鋼類保護渣應(yīng)適當(dāng)調(diào)整堿度與黏度以提高保護渣析晶溫度，改善傳熱，堿度控制在1.3，黏度調(diào)整至0.18Pa·s為最佳。