Q195小方坯連鑄保護(hù)渣優(yōu)化工藝實踐

金柱元，朱學(xué)瑾，李 亮，趙 斌

（日照鋼鐵集團(tuán)有限公司冶金技術(shù)處，山東 日照 276800）

結(jié)晶器保護(hù)渣具有五大基本功能，對于保持連鑄過程順行，改善鑄坯質(zhì)量起著非常重要的作用，特別是對于裂紋敏感性強的包晶鋼更是舉足輕重[1-3]，保護(hù)渣性能不合容易造成鑄坯縱裂、夾渣、凹陷等缺陷，惡化鑄坯質(zhì)量，造成成本升高，針對某廠生產(chǎn)Q195鋼小方坯時因其w（C）要求在0.08%~0.10%處在包晶區(qū)，鑄坯出現(xiàn)夾渣、縱裂等缺陷，主要是保護(hù)渣性能不合適造成的，通過優(yōu)化現(xiàn)用保護(hù)渣的成分和理化性能，旨在改善保護(hù)渣功能，解決鑄坯問題，提高鑄坯合格率降低生產(chǎn)成本。

1 保護(hù)渣作用及包晶鋼對保護(hù)渣的要求

1.1 保護(hù)渣在結(jié)晶器中的分布及作用

結(jié)晶器鋼液面上的保護(hù)渣具有2~4層的典型層狀結(jié)構(gòu)，即，位于表面的固態(tài)渣層，處于中部含有多相的燒結(jié)層，固態(tài)渣開始熔化的糊狀區(qū)和直接與鋼液接觸起到潤滑作用的熔渣層。

圖1 結(jié)晶器保護(hù)渣熔化結(jié)構(gòu)

圖2 保護(hù)渣在結(jié)晶器的位置變化

保護(hù)渣的主要作用[1]：隔絕空氣，防止二次氧化；絕熱保溫，減少熱量損失；在結(jié)晶器壁和坯殼之間起潤滑作用，減小摩擦力；改善傳熱，確保形成足夠厚度且均勻的坯殼；吸收、溶解鋼非金屬夾雜物，改善鑄坯質(zhì)量。

1.2 包晶鋼對保護(hù)渣的要求

Q195鋼屬于裂紋敏感性鋼種，在熱應(yīng)力與鋼水靜壓力共同作用下，易在凹陷薄弱處產(chǎn)生裂紋，因此此類鋼種對保護(hù)渣要求較為嚴(yán)格。其主要要求包括：為形成足夠的液渣層，消耗量要適當(dāng)；為抵消液面波動影響，要一直具有足夠的液渣深度，確保結(jié)晶器邊緣，特別是彎月面附近液渣充足；吸收、溶解非金屬夾雜物后，能夠保持良好、穩(wěn)定的性能；保證結(jié)晶器縱向具有良好的絕熱性能，橫向傳熱均勻適中；析晶能力適宜。

2 Q195鋼小方坯質(zhì)量現(xiàn)狀

由表1可知，生產(chǎn)中Q195鋼中w[C]在0.08%~0.10%之間，因此其具有低碳鋼和包晶鋼雙重凝固特性。由于包晶鋼在固相線溫度以下20~50℃時的線收縮量最大，而且此時在結(jié)晶器彎月面處的初生坯殼隨溫度下降發(fā)生δFe→γFe轉(zhuǎn)變，由于相轉(zhuǎn)變時約有0.38%的體積収縮，致使坯殼與結(jié)晶器銅壁之間出現(xiàn)寬度不均勻的氣隙，傳熱效率降低，導(dǎo)致坯殼厚度相對較小，承受熱應(yīng)力和鋼液靜壓力的能力減弱，冷卻和凝固速度相對較慢，組織相對粗化，裂紋敏感性相對增強，最終在坯殼最薄弱的部位形成凹陷[4]。通過多日觀察統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)該廠生產(chǎn)的Q195小方坯質(zhì)量問題主要是由于保護(hù)渣理化性能與鑄坯凝固過程不匹配造成的表面縱裂、凹陷和夾渣（見圖3）。

表1 Q195鋼的成分 %

圖3 Q195鋼小方坯存在的問題

3 Q195鋼小方坯保護(hù)渣成分設(shè)計及性能優(yōu)化

3.1 現(xiàn)用保護(hù)渣理化性能分析

為更好地對保護(hù)渣進(jìn)行優(yōu)化，首先對現(xiàn)用保護(hù)渣的成分及理化性能進(jìn)行了詳細(xì)檢測，結(jié)果如表2、表3所示。

表2 保護(hù)渣成分和堿度

表3 保護(hù)渣理化性能

由表3可知，現(xiàn)用保護(hù)渣熔化溫度為1 230℃，1 300℃時的熔化時間為100 s，結(jié)晶溫度為1 075℃，黏度為0.815 Pa·s，此種理化性能的保護(hù)渣用于Q195小方坯的生產(chǎn)，黏度和熔化溫度較高，傳熱能力較差，熔化速度較慢，孕育時間較長，臨界冷卻速度較低，在正常澆注過程中，此保護(hù)渣不容易結(jié)晶，不能在鑄坯與結(jié)晶器銅壁之間形成足夠厚度的液態(tài)渣膜，因而不能起到改善傳熱的作用，由于粘度較高，還易引發(fā)黏結(jié)漏鋼，對生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響，所以有必要對現(xiàn)用保護(hù)渣的成分和理化性能進(jìn)行優(yōu)化以改善使用效果，提高鑄坯質(zhì)量。

3.2 熔化溫度設(shè)計

熔化溫度適宜的保護(hù)渣應(yīng)滿足在結(jié)晶器銅壁與坯殼之間形成厚度適合且均勻的液態(tài)渣膜，保證傳熱效果適當(dāng)，熔化溫度過高會造成潤滑不良，熔化溫度過低會造成結(jié)晶器內(nèi)熱流增加，影響鑄坯質(zhì)量，因此只有保證保護(hù)渣的熔化溫度略低于或等于結(jié)晶器下口處鑄坯表面溫度，才能滿足潤滑要求。由實際生產(chǎn)時鑄坯斷面為160 mm×160 mm，拉速為1.6~2.0 m/min，經(jīng)模擬計算，得出不同拉速下結(jié)晶器出口鑄坯表面溫度，由結(jié)晶器出口鑄坯中心表面溫度為1 188~1 257℃，綜合考慮傳熱和潤滑，保護(hù)渣熔化溫度設(shè)計為（1 110±20）℃（見表4）。

表4 Q195鋼在不同拉速條件下結(jié)晶器出口鑄坯溫度熱模擬結(jié)果

3.3 熔化速度設(shè)計

經(jīng)實驗測得現(xiàn)用保護(hù)渣在1 300℃時的熔化時間為100 s，根據(jù)生產(chǎn)實際觀察，澆注時結(jié)晶器液面上方液渣層厚度較小，不能充滿坯殼與結(jié)晶器銅壁間隙，液面波動時還容易造成卷渣，由于保護(hù)渣熔化速度較慢，當(dāng)吸附夾雜后，液渣量相對較少，潤滑能力進(jìn)一步減弱，黏度進(jìn)一步增加，黏結(jié)漏鋼風(fēng)險也隨之增加，為避免出現(xiàn)上述問題，設(shè)定保護(hù)渣1 300℃時的熔化時間為46 s。

3.4 黏度設(shè)計

保護(hù)渣的潤滑性能主要取決于黏度，黏度過高則液渣量減少，渣膜厚度減小且不均勻，致使摩擦力增大，嚴(yán)重時造成漏鋼，有關(guān)研究表明，設(shè)計保護(hù)渣的黏度要遵循η1 300℃-v匹配原則和穩(wěn)定性原則。對于拉速為1.5~2.2 m/min條件下的小方坯，結(jié)晶器保護(hù)渣黏度控制在（0.50±0.05）Pa·s比較合理。

3.5 結(jié)晶溫度設(shè)計

由表3知，現(xiàn)用保護(hù)渣的結(jié)晶溫度為1 075℃，由于Q195鋼屬于裂紋敏感性鋼種，宜選用具有較高結(jié)晶溫度的結(jié)晶器保護(hù)渣，結(jié)晶溫度控制在1 100℃效果比較好，綜合以上分析得出Q195鋼小方坯連鑄保護(hù)渣理化性能推薦值，如表5所示。

表5 Q195鋼連鑄保護(hù)渣理化性能指標(biāo)推薦值

4 優(yōu)化后的Q195鋼小方坯應(yīng)用效果

該廠依據(jù)提供的推薦值，對保護(hù)渣進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化前后保護(hù)渣成分及理化性能對比如表6、表7所示。

表6 優(yōu)化后保護(hù)渣的成分和堿度

表7 優(yōu)化前后保護(hù)渣的理化參數(shù)

優(yōu)化后保護(hù)渣的熔化溫度降低了84℃，熔化時間減少了52 s，結(jié)晶溫度提高了10℃，黏度降低了0.275 Pa·s，堿度提高了0.22，通過長時間的跟蹤觀察，發(fā)現(xiàn)鑄坯表面質(zhì)量良好，鑄坯表面沒有出現(xiàn)凹陷、夾渣、表面裂紋等缺陷，鑄坯表面質(zhì)量顯著改善，鑄坯表面質(zhì)量合格率由保護(hù)渣優(yōu)化前的20%提高至97%，取得了比較好的效果（見圖4），提高了鑄坯成品率，降低了生產(chǎn)成本。

圖4 保護(hù)渣優(yōu)化后的鑄坯

5 結(jié)論

保護(hù)渣熔速、熔點、黏度、結(jié)晶溫度等理化性能與鑄坯冷卻過程需求不匹配導(dǎo)致傳熱不均、潤滑不良是造成鑄坯出現(xiàn)凹陷、夾渣、縱裂等表面質(zhì)量的主要原因。

斷面為160 mm×160 mm，拉速為1.5~2.2 m/min的Q195小方坯連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣的理化性能推薦值為熔化溫度（1 130±20）℃，熔化速度（46±10）s，結(jié)晶溫度1 100℃，黏度（0.5±0.05）Pa·s。

通過提高保護(hù)渣的堿度、結(jié)晶溫度，降低熔化溫度、熔化速度和黏度，實現(xiàn)了傳熱均勻、潤滑良好、渣膜厚度合理，促進(jìn)了鑄坯表面質(zhì)量的改善。