包晶鋼連鑄結晶器保護渣的設計與應用

胡志豪

（鋼城集團涼山瑞海實業有限公司，四川 涼山 615000）

碳含量約為0.08%～0.15%的鋼水在凝固過程中會發生包晶反應，伴隨這一反應會出現較大的體積變化和線收縮，在連鑄過程中容易發生結晶器漏鋼事故和鑄坯表面質量缺陷，是較難澆鑄的鋼種之一，通常將這一類鋼種稱之為包晶鋼。攀鋼西昌鋼釩煉鋼廠連鑄的09CuPCrNi-A、P510L、SAPH370等鋼種碳含量范圍為0.085%～0.14%，屬于包晶鋼的范疇，在連鑄過程中鑄坯表面縱裂較為嚴重，2012年10月至12月P510L鑄坯表面縱裂紋缺陷率高達27.69%，嚴重影響了正常的生產。通過對保護渣進行設計改進，包晶鋼連鑄坯表面質量得到了有效提高。由于包晶鋼特殊的凝固特性，鑄坯表面容易產生縱裂、星狀裂紋等典型缺陷，針對這一現象，結晶器保護渣必須采取不同于低碳和高碳鋼的特殊對策，才能保證無表面缺陷的鑄坯生產。采用高堿度結晶體狀態的結晶器保護渣是解決這一問題的有效手段。

1 包晶鋼連鑄結晶器保護渣性能指標設計

通過上述對包晶鋼在連鑄過程中板坯出現縱裂缺陷的理論分析，包晶鋼保護渣技術指標設計思路為：高堿度、低粘度、低粘溫曲線轉折溫度、高析晶率。

1.1 堿度

保保護渣的堿度對保護渣的特性的影響較為復雜，據相關研究表明隨著保護渣堿度的升高，保護渣玻璃化特性減弱，析晶率增大，當堿度大于1.1時保護渣中開始析出晶體，當堿度達到1.15～1.20時保護渣析晶率達到30%～60%，當堿度達到1.3時保護渣析晶率達到100%[1]。為了保證包晶鋼結晶器保護渣能夠起到減緩結晶器傳熱的效果，就需要保護渣具有較高析晶率，而保護渣具有較高的堿度是高析晶率的有效保障。因此設計包晶鋼連鑄結晶器保護渣堿度CaO/SiO2大于1.3。

1.2 熔點、粘度

一般認為在結晶器出口處的鑄坯表面溫度約為1250℃時，才能維持熔渣在結晶器內沿坯殼運動而不凝固。因此說包晶鋼連鑄保護渣熔點設計應該在1200℃以下，1100℃左右最佳。但是較高堿度的保護渣中的CaO含量較高，而CaO容易與保護渣中的其他成分反應，生成硅酸二鈣、鈣長石等高熔點的物相，因此說通常較高堿度的保護渣一般具有較高的熔點，因此我們通過在保護渣中加入Na2O、CaF2、Li2O等助熔劑來降低保護渣的熔點。但是Na2O加入量不能過高，Na2O加入量過高容易析出霞石（Na2O·Al2O3·2SiO2）對渣膜潤滑作用不利，通常Na2O的加入量一般在10%以下。

保護渣粘度能夠影響到液渣層的厚度以及渣膜的潤滑效果，以及保護渣吸附夾雜的能力。要保證保護渣具有良好的潤滑效果，就需要保護渣具有較低的粘度，但是高堿度、高結晶率的設計導致熔渣玻璃性遭到破壞，惡化了渣膜潤滑作用，不過Na2O、CaF2、Li2O等成分的引入能夠改變了這一現象。此次包晶鋼連鑄結晶器保護渣粘度設計在0.1Pa·s（1300℃）左右或者更低。

1.3 粘溫曲線轉折溫度

要在高堿度、高析晶率的前提條件下保證保護渣具有良好的潤滑效果就必須保證保護渣有較低的粘溫曲線轉折溫度。有研究顯示粘溫曲線轉折溫度隨著堿度的升高而升高，隨著Na2O、CaF2、Li2O等成分含量的升高而降低[2]。為了解決高堿度帶來的高粘溫曲線轉折溫度的情況，需要在保護渣組分中加入相對較高比例的Na2O、CaF2、Li2O等成分。

1.4 析晶率

高析晶率能夠有效減緩結晶器傳熱，從而降低鑄坯縱裂發生率，包晶鋼保護渣高堿度設計就是為了達到這一目的。但是有研究認為Li2O、Al2O3、MgO等成分的增加大大降低保護渣的結晶率[3]。因此就需要更高的堿度來保持保護渣的析晶率，此次我們嘗試堿度在1.75左右的設計。

1.5 包晶鋼保護渣性能設計

保護渣的技術指標以及主要組分不但相互影響，而且會相互制約，要想達到理想的設計目標，必須充分考慮到各個指標以及主要組分的相互影響情況。根據上述分析，我們設定包晶鋼保護渣的技術指標為熔點Tm為1100℃，堿度為1.75，粘度η1300℃為0.08Pa·s，粘溫曲線轉折溫度1170℃，析晶率為100%。

2 工業應用試驗

2.1 試驗基本情況

試驗用保護渣檢測指標見表1。

表1 試驗用包晶鋼連鑄結晶器保護渣性能指標

試 驗 所 應 用 的 鋼 種 包 括P510L、SAPH370、L290、X60、09CuPCrNi-A等。應用試驗基本情況見表2。

表2 工業應用試驗基本情況

2.2 討論分析

2.2.1 保護渣消耗及液渣層厚度

在拉速0.8m/min～1.2m/min的情況下，渣耗保持在0.60kg/t鋼～0.65kg/t鋼的范圍內，能夠滿足連鑄過程結晶器內對潤滑性能的需求，有利于保證連鑄工藝順行和鑄坯表面質量控制。此外低拉速的條件下渣耗能夠保持較高的水平，對于連鑄拉速有一定的提升空間，說明試驗用保護渣對連鑄拉速的適應能力較強。在拉速為0.8m/min～1.2m/min的工作條件下，保護渣液渣層厚度穩定控制在9mm～12mm范圍內，情況非常理想。

2.2.2 結晶器熱流控制

試驗過程中結晶器熱流密度穩定控制在1.20KW/m2～1.58KW/m2，結晶器熱流密度低于包晶鋼臨界熱流密度值，而且波動范圍較小，說明試驗保護渣形成的渣膜有效的控制了傳熱速率，且傳熱均勻、穩定，有利于初生坯殼的的均勻生長，這是這是鑄坯表面質量得到良好控制的有效保障。

2.2.3 鑄坯表面質量

此次包晶鋼保護渣應用共生產252爐鋼，鑄坯2227塊，未出現夾渣、氣泡等表面質量缺陷。鑄坯振痕深度基本控制在0.5mm以下，且振痕均勻，有利于鑄坯角部橫裂紋的控制。而且鑄坯皮下質量良好。共生產的2227塊鑄坯中出現表面縱裂紋缺陷鑄坯58塊，表面縱裂紋缺陷率為2.6%，從統計結果來看，表面縱裂紋缺陷主要集中在汽車用鋼等鋼種，缺陷率高達3.44%，但與采用該種保護渣之前的18.56%相比，改進效果明顯。

2.2.4 結晶器漏鋼報警

包晶鋼保護渣應用過程中共發生10次結晶器漏鋼報警，漏鋼報警率為0.45%，但通過對結晶器漏鋼報警分析，這些結晶器漏鋼報警發生的原因是由開澆、換水口等非穩態連鑄過程造成的，并且根據前面對渣耗和液渣層厚度情況的分析來看，發生漏鋼報警事故的原因并非保護渣性能不良造成。

3 結論

針對攀鋼西昌鋼釩煉鋼廠包晶鋼范疇鋼種連鑄過程中鑄坯縱裂紋缺陷率較高的情況，分析了包晶鋼范疇鋼種連鑄板坯縱裂紋缺陷率較高的原因，嘗試以超高堿度、高析晶率、低粘度、低粘溫曲線轉折溫度的設計思路，而且考慮到連鑄保護渣各項指標之間的相互制約因素，并通過實驗室試驗以及探索性工業試驗確定了包晶鋼結晶器保護渣的性能指標。

使用過程中具有良好的結晶器內熔化情況，拉速適應能力強，液渣層厚度均勻、理想，潤滑性能良好，結晶器熱流控制合適、穩定，鑄坯表面缺陷率的到了很好的控制，而且未出現由于保護渣性能不良引起的結晶器漏鋼報警。