高拉速中碳鋼連鑄保護(hù)渣的開(kāi)發(fā)

1、高拉速中碳鋼連鑄保護(hù)渣的開(kāi)發(fā)陳 敏1，李學(xué)慧1，2(1.東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) ；2.鞍鋼實(shí)業(yè)公司，遼寧 鞍山 )摘 要：結(jié)晶器保護(hù)渣是連鑄生產(chǎn)過(guò)程中重要的輔助材料，其性能優(yōu)劣對(duì)連鑄工藝順行及鑄坯質(zhì)量產(chǎn)生重要的影響。中碳鋼自身的凝固特點(diǎn)使其對(duì)連鑄保護(hù)渣提出了更嚴(yán)格的要求。本研究根據(jù)中碳鋼連鑄的特點(diǎn)，研究了原料組成對(duì)保護(hù)渣性能的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了中碳鋼連鑄系列保護(hù)渣。研究結(jié)果表明，在保護(hù)渣中配入B2O3、Li2O、MnO等特殊組分，不僅降低保護(hù)渣的析晶溫度和轉(zhuǎn)折溫度，而且促使固態(tài)結(jié)晶渣膜晶粒細(xì)小，因此可以避免保護(hù)渣熔渣在冷凝過(guò)程中析出高熔點(diǎn)固相，使結(jié)晶器內(nèi)靠近鑄坯表面的渣膜

2、為液態(tài)，確保鑄坯表面的潤(rùn)滑效果，同時(shí)又可使靠近結(jié)晶器壁的渣膜形成結(jié)晶狀態(tài)以達(dá)到減緩和均勻傳熱的效果。在實(shí)驗(yàn)室研室研究的基礎(chǔ)上，本研究開(kāi)發(fā)的系列連鑄保護(hù)渣在實(shí)際生產(chǎn)中獲得了良好的使用效果，有效地促進(jìn)了鑄坯質(zhì)量的提高。關(guān)鍵詞：連鑄，保護(hù)渣；理化性能；結(jié)晶行為；中碳鋼Development of Mould Powder for High Speed Continuous Casting of Medium-Carbon Steel SlabCHEN Min1 Li Xue-Hui1，2(1. School of materials and metallurgy, Northeastern Univ

3、ersity, Shenyang, Liaoning, China;2. Industry Co. Ltd, Anshan Iron and Steel Group Corporation, Anshan, Liaoning, China)Abstract: Mold powder as an important supplemental materials for continuous casting, its properties determines the slab quality directly, and more strict requirements are necessary

4、 for the continuous casting of medium-carbon steel slab for its solidification characters. The present work studied the effect of composition on properties of mould powder and developed a serious products for continuous casting of medium-carbon steel. The results showed that both crystallization and

5、 breaking temperatures were decreased, and the grain size in the solidified flux film was also deceased by inducing some special component such as B2O3, Li2O, MnO. Consequently, by preventing precipitation of high melting phases during cooling process, liquid flux film on the surface of solidified s

6、hell was formed to insure the greasing performance, and at the same time, the crystallized flux film was formed on the side of mould wall to maintain weak and homogeneous heat transfer. Based on the above studies of laboratory work, a serious products of mold powder was developed , and the practical

7、 application of the serious products showed good performance and the slab quality was effectively improved for continuous casting of medium-carbon steel.Key words: continuous casting, mould powder; physical-chemical properties; crystallizing behavior; medium-carbon-steel casting1 前言連鑄保護(hù)渣在連鑄結(jié)晶器內(nèi)具有隔熱保

8、溫、吸收鋼液中上浮夾雜、防止鋼液二次氧化、控制鑄坯向結(jié)晶器傳熱及潤(rùn)滑鑄坯等作用，是連鑄生產(chǎn)過(guò)程中重要的輔助材料，其性能優(yōu)劣對(duì)連鑄工藝順行及鑄坯質(zhì)量產(chǎn)生重要的影響1,2。連鑄生產(chǎn)中碳鋼時(shí)，由于凝固坯殼在冷卻過(guò)程中發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)伴隨有明顯的體積效應(yīng)，容易在鑄坯表面產(chǎn)生縱裂等質(zhì)量缺陷，影響鑄坯的成材率。因此，中碳鋼連鑄對(duì)結(jié)晶器保護(hù)渣提出了更嚴(yán)格的質(zhì)量要求。特別在高拉速條件下，通過(guò)控制原料條件，調(diào)整保護(hù)渣的熔化特性并協(xié)調(diào)玻璃體與結(jié)晶體的比例，使保護(hù)渣能夠均勻地填充進(jìn)凝固坯殼與結(jié)晶器間的空隙，既能保證潤(rùn)滑良好，還能實(shí)現(xiàn)均勻傳熱和緩冷的效果，以促進(jìn)中碳鋼鑄坯質(zhì)量的提高3,4。因此，本論文針對(duì)包晶鋼凝固特點(diǎn)

9、，通過(guò)研究保護(hù)渣組成對(duì)其熔化和結(jié)晶特性的影響規(guī)律，開(kāi)發(fā)了高拉速中碳鋼連鑄保護(hù)渣，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果5, 6。2 實(shí)驗(yàn)方案實(shí)驗(yàn)室研究采用分析純化學(xué)試劑為原料。將原料在500C烘干去除水分及揮發(fā)份后，進(jìn)行配料，混和，并利用熔點(diǎn)熔速儀測(cè)定試樣得熔化溫度和利用高溫粘度計(jì)測(cè)定試料的粘度，來(lái)考察原料組成對(duì)保護(hù)渣熔化溫度和粘度的影響規(guī)律。通過(guò)測(cè)定保護(hù)渣黏度-溫度(-T)曲線確定轉(zhuǎn)折溫度(Tb)和觀測(cè)凝固后渣樣的端口確定結(jié)晶體比例Rp來(lái)評(píng)價(jià)保護(hù)渣的結(jié)晶性能和玻璃化特性。其中，保護(hù)渣-T曲線的測(cè)定方法是取150g保護(hù)渣在1300C熔化并恒溫30min，然后以5C/min的降溫速度降溫，測(cè)試-T曲線。

10、保護(hù)渣產(chǎn)品是以水泥熟料、硅灰石、蘇打、玻璃粉、螢石、預(yù)熔料及碳質(zhì)材料等為原料而制成，通過(guò)考察結(jié)晶器液面狀況(包括保護(hù)渣的鋪展性、熔化均勻性、液面渣圈情況、液渣層厚度、粘結(jié)及漏鋼等)和鑄坯表面質(zhì)量(包括鑄坯表面裂紋、平整性、振痕及凹坑等)，評(píng)價(jià)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用效果。3 結(jié)果與討論3.1 原料組成對(duì)保護(hù)渣熔化溫度和粘度的影響結(jié)晶器出口處的鑄坯溫度一般在1200C以下，為保證保護(hù)渣渣膜在鑄坯與結(jié)晶器縫隙間均勻分布，并具有一定的液態(tài)層，一般要求保護(hù)渣的熔化溫度小于1200C。為了同保護(hù)渣的熔化速度、鑄機(jī)拉速、鋼水過(guò)熱度等參數(shù)相匹配，不同鋼種和鑄機(jī)對(duì)保護(hù)渣熔化溫度的要求是不一樣的。國(guó)內(nèi)外均采用半球點(diǎn)熔

11、點(diǎn)儀檢測(cè)保護(hù)渣的熔化性溫度，這種方法檢測(cè)出的熔化溫度稱為半球點(diǎn)溫度，反映的是保護(hù)渣這類(lèi)硅酸鹽物質(zhì)的熔化性能7,8。圖1和圖2是保護(hù)渣成分對(duì)其熔化溫度和粘度的影響。Na2O、Li2O、B2O3、F-都能顯著降低保護(hù)渣的熔化溫度，含量越多，作用越明顯。但Na2O含量不宜過(guò)高，否則有可能析出高熔點(diǎn)的霞石(Na2OAl2O3SiO2)，使保護(hù)渣熔化溫度升高。Li2O是一種強(qiáng)助熔劑，對(duì)降低保護(hù)渣熔化溫度的作用比Na2O更強(qiáng)，即使含量很低，對(duì)保護(hù)渣的熔化溫度也有較大影響。F-和B2O3也都能降低保護(hù)渣的熔化溫度，但這兩種成分的含量不能過(guò)高，否則將對(duì)浸入式水口侵蝕嚴(yán)重，影響連鑄生產(chǎn)穩(wěn)定順行。MgO本身是高熔

12、點(diǎn)組分，且在渣中能夠形成鎂橄欖石和鎂鋁尖晶石等高熔點(diǎn)相，使保護(hù)渣的熔點(diǎn)升高。Al2O3在本實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)保護(hù)渣熔點(diǎn)的影響不大。含量低時(shí)有一定的降低熔化溫度的作用，但在含量較高時(shí)，由于易生成鈣長(zhǎng)石，可能使保護(hù)渣的熔點(diǎn)升高。由于TiO2與CaO反應(yīng)生成鈣鈦礦，使保護(hù)渣的熔點(diǎn)明顯升高。(a) 熔化溫度(b) 粘度Fig.1組成對(duì)保護(hù)渣熔化溫度和粘度的影響Fig.1 Effect of composition on melting temperature and viscosity of mould powder.保護(hù)渣熔渣粘度作為另一個(gè)重要的物性指標(biāo)，只有與澆鑄工藝相匹配，才能使保護(hù)渣熔渣順利填入結(jié)晶

13、器與鑄坯間空隙，并形成一定的渣膜厚度，保證適宜的傳熱速度和良好的潤(rùn)滑。結(jié)晶器內(nèi)與鋼液和凝固坯殼接觸的保護(hù)渣處于15501100C的溫度區(qū)間內(nèi)，因而通常采用1300C時(shí)的粘度作為衡量保護(hù)渣流動(dòng)性能的一個(gè)重要的指標(biāo)。(a) 熔化溫度 (b) 粘度Fig.2 Li2O和B2O3對(duì)保護(hù)渣熔化溫度和粘度的影響Fig.2 Effect of Li2O and B2O3 on melting temperature and viscosity of mould powder.從圖1和圖2還可看出，Na2O、Li2O、B2O3、F-都可以降低保護(hù)渣的粘度，其中Li2O、F-降低粘度的作用比較顯著，而Na2O、

14、B2O3降低保護(hù)渣粘度的作用比Li2O、F要弱一些。Al2O3使保護(hù)渣粘度升高，當(dāng)保護(hù)渣溶解Al2O3的能力較差時(shí)，析出Al2O3高熔點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)，熔渣粘度急劇升高，結(jié)晶器內(nèi)保護(hù)渣急劇惡化，影響連鑄正常生產(chǎn)。所以在澆鑄鋁鎮(zhèn)靜鋼、高鋁鋼時(shí)，必須設(shè)計(jì)合適的基渣成份，使其具有良好的溶解Al2O3的能力，保證保護(hù)渣具有相對(duì)的熱穩(wěn)定性。此外，少量添加TiO2(2%-4%)能夠在一定程度上降低保護(hù)渣粘度，當(dāng)含量較高時(shí)，則使粘度略有提高。在本實(shí)驗(yàn)條件下，MgO對(duì)粘度有輕微的降低作用。圖3是堿度(CaO/SiO2)對(duì)保護(hù)渣熔化溫度和粘度的影響。由于渣中CaO容易與其它成份反應(yīng)，生成高熔點(diǎn)的結(jié)晶礦物(如鈣鈦礦、硅酸二

15、鈣、鈣長(zhǎng)石等)，因此在本研究的實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)，隨著堿度的增加，保護(hù)渣的熔化溫度升高。此外，隨著堿度的升高，保護(hù)渣的粘度明顯降低。這是因?yàn)閴A度增加，CaO向熔渣中提供O2-促使硅-氧聚合體解體，復(fù)合陰離子團(tuán)變小，粘流活化能降低，熔渣粘度下降。(a) 熔化溫度(b) 堿度Fig.3堿度對(duì)熔化溫度和粘度的影響Fig.3 Effect of basicity on melting temperature and viscosity of mould powder.3.2 原料組成對(duì)保護(hù)渣玻璃化與結(jié)晶性能的影響圖4為堿度對(duì)保護(hù)渣轉(zhuǎn)折溫度和析晶率的影響。隨堿度升高，保護(hù)渣玻璃化特性減弱，結(jié)晶率增大。當(dāng)堿度

16、大于1.11時(shí)，保護(hù)渣中開(kāi)始析出晶體；當(dāng)堿度達(dá)到1.151.20時(shí)，保護(hù)渣結(jié)晶率達(dá)到3060%；當(dāng)堿度達(dá)到1.30時(shí)，保護(hù)渣結(jié)晶率達(dá)到100%。由圖還可看出，當(dāng)保護(hù)渣堿度大于1.27時(shí)，保護(hù)渣-T曲線的轉(zhuǎn)折溫度超過(guò)1200C。當(dāng)堿度達(dá)到1.30時(shí)，保護(hù)渣-T曲線的轉(zhuǎn)折溫度為1220C；當(dāng)保護(hù)渣堿度為1.41時(shí)，保護(hù)渣-T曲線的轉(zhuǎn)折溫度達(dá)到1245C。生產(chǎn)實(shí)踐證明，轉(zhuǎn)折溫度過(guò)高會(huì)降低保護(hù)渣的液體潤(rùn)滑效果，并減少保護(hù)渣的流入量，拉漏的可能性增加；轉(zhuǎn)折溫度過(guò)低，坯殼與結(jié)晶器之間液體保護(hù)渣發(fā)達(dá)，傳熱速率過(guò)強(qiáng)。只有使保護(hù)渣的轉(zhuǎn)折溫度控制在合適的溫度范圍，才既能夠保證良好的潤(rùn)滑效果，又能控制傳熱速率。因此

17、，為協(xié)調(diào)并保證鑄坯的潤(rùn)滑和控制傳熱，要針對(duì)具體的連鑄工藝條件，確定合適的保護(hù)渣堿度范圍從而達(dá)到最佳的轉(zhuǎn)折溫度區(qū)間。(a) 轉(zhuǎn)折溫度(b) 析晶率圖4 堿度對(duì)結(jié)晶特性的影響Fig.4 Effect of basicity on crystallization behavior of mould flux.圖5為保護(hù)渣成分對(duì)玻璃化特性和析晶行為的影響。在堿度為0.9的基渣中外加CaF2后，隨添加量增加，綜合堿度提高，保護(hù)渣玻璃化特性減弱。當(dāng)CaF2含量大于13%，渣樣冷凝過(guò)程中開(kāi)始析出晶體，但當(dāng)CaF2含量超過(guò)15%，-T曲線轉(zhuǎn)折溫度超過(guò)1200C。因此，為協(xié)調(diào)保護(hù)渣玻璃化特性和結(jié)晶性能，CaF2

18、含量只能在1315%這一較窄的區(qū)間內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。CaF2含量過(guò)高，不僅使轉(zhuǎn)折溫度超過(guò)1200C而導(dǎo)致保護(hù)渣喪失潤(rùn)滑功能，而且在結(jié)晶器鋼液面上熔渣層對(duì)水口的侵蝕加劇，不利于多爐連澆和連鑄生產(chǎn)的順行。B2O3屬酸性氧化物，故保護(hù)渣中加入B2O3可顯著促進(jìn)熔渣玻璃化，改善結(jié)晶器與坯殼之間的潤(rùn)滑。在高拉速板坯連鑄中，保護(hù)渣中加入了一定量的B2O3，極大的降低了坯殼與結(jié)晶器間的摩擦力，保證連鑄生產(chǎn)穩(wěn)定順行。此外，B2O3熔點(diǎn)(450C)低，易形成低共熔物，還能顯著降低保護(hù)渣熔化溫度，提高結(jié)晶器內(nèi)熔渣的過(guò)熱度，使復(fù)合陰離子鍵因熱振動(dòng)的加劇而解體，降低熔渣粘度。在堿度R為1.30的渣樣中外加B2O3后，隨B2

19、O3含量的增加，-T曲線轉(zhuǎn)折溫度逐漸降低，熔渣結(jié)晶特性減弱。當(dāng)B2O3含量大于1.5%時(shí)，渣樣冷凝過(guò)程中即有玻璃體出現(xiàn)，當(dāng)B2O3含量超過(guò)5%時(shí)，渣樣冷凝時(shí)完全轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)。因此，為了協(xié)調(diào)保護(hù)渣玻璃化特性和結(jié)晶性能，B2O3含量也只能在較窄的區(qū)間內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。(a) 轉(zhuǎn)折溫度 (b) 析晶率Fig. 5保護(hù)渣成分對(duì)轉(zhuǎn)折溫度和析晶率的影響Fig.5 Effect of composition on crystallization behavior of mould flux.Li2O屬堿性氧化物，隨著Li2O含量的增加，保護(hù)渣轉(zhuǎn)折溫度變化的總趨勢(shì)是下降的，而其結(jié)晶率變化的總趨勢(shì)是先增加后減少，在2

20、%附近時(shí)，結(jié)晶率達(dá)到最大。隨著保護(hù)渣中MnO、Na2O含量增加，保護(hù)渣的轉(zhuǎn)折溫度降低，且添加MnO可使析晶比例Rp提高。3.3 保護(hù)渣成分設(shè)計(jì)及其實(shí)際應(yīng)用根據(jù)以上研究結(jié)果，并結(jié)合包晶鋼成分鋼種的凝固特點(diǎn)，為有效防止因包晶反應(yīng)引起的凝固初生坯殼的不均勻收縮誘發(fā)的鑄坯表面縱裂紋和皮下微裂紋等缺陷，充分協(xié)調(diào)潤(rùn)滑和控制傳熱功能，以水泥熟料、硅灰石、蘇打、玻璃粉、螢石、預(yù)熔料、碳質(zhì)材料等為原料，按表1所示的保護(hù)渣主要成份，設(shè)計(jì)了系列包晶鋼連鑄保護(hù)渣，使Tb1225C，Rp=40100%。表1 連鑄?；鼔A度及其主要成分, %Table 1 Basicity and main composition of

21、 mould powder.CaO/SiO2MgONa2OMnOB2O3F1.151.30258120402.558在國(guó)內(nèi)幾家鋼廠中生產(chǎn)Q215、Q235、16Mn、16MnR、A36等鋼種的應(yīng)用結(jié)果表明，本研究開(kāi)發(fā)的系列連鑄保護(hù)渣在使用過(guò)程中鋪展型好，熔化均勻，無(wú)渣條，因表面裂紋引起的質(zhì)量缺陷顯著減少，鑄坯的一次合格率明顯提高，在高拉速條件下也能夠保證良好的使用效果。4 結(jié)論本研究結(jié)合中碳鋼的凝固特點(diǎn)，系統(tǒng)研究了保護(hù)渣成分對(duì)其性能的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了高拉速連珠保護(hù)渣。研究結(jié)果表明：(1) 保護(hù)渣的化學(xué)成分（如堿度、Na2O、F-、MgO、Li2O、MnO、B2O3、TiO2等）對(duì)其熔化、玻璃化及結(jié)晶特性具有重要影響。在保護(hù)渣中適量配入B2O3、Li2O、MnO等特殊組分，不僅降低保護(hù)渣的析晶溫度和轉(zhuǎn)折溫度，而且促使固態(tài)結(jié)晶渣膜晶粒細(xì)小，因此可以避免保護(hù)渣熔渣在冷凝過(guò)程中析出高熔點(diǎn)固相，使結(jié)晶器內(nèi)靠近鑄坯表面的渣膜為液態(tài)，確保鑄坯表面的潤(rùn)滑效果，同時(shí)又可使靠近結(jié)晶器壁的渣膜形成結(jié)晶狀態(tài)以達(dá)到減緩和均勻傳熱的效果。(2) 為充分協(xié)調(diào)保護(hù)渣的潤(rùn)滑效果和控制傳熱功能，其主要成份應(yīng)控制為：CaO/SiO2=1.151.30，B2O3=02.5%，MnO=04%，MgO=25%，Na2O=812%，F(xiàn)=58%，并保證轉(zhuǎn)折溫度Tb1225C，析晶